J W-4型軌道作業(yè)車換向分動(dòng)箱差速器故障淺析

鐘志軍，陶立新

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司機(jī)械設(shè)備中心，湖北　武漢 430074）

J W-4型軌道作業(yè)車換向分動(dòng)箱差速器故障淺析

鐘志軍，陶立新

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司機(jī)械設(shè)備中心，湖北武漢 430074）

JW-4型軌道作業(yè)車換向分動(dòng)箱的差速器十字軸出現(xiàn)斷裂，根據(jù)故障現(xiàn)象，查找原因，找到存在的缺陷，進(jìn)行正確的改進(jìn)與處理，徹底解決問(wèn)題，為此類車型的易發(fā)故障尋找到了一個(gè)良好的處理解決方案。

作業(yè)車換向分動(dòng)箱；差速器故障

1　J W-4型軌道作業(yè)車換向分動(dòng)箱差速器故障

我單位一批JW-4型軌道作業(yè)車在合蕪項(xiàng)目部電氣化施工，區(qū)間以70公里/小時(shí)的速度行駛，行駛途中出現(xiàn)顛簸不平穩(wěn)，底盤出現(xiàn)異常聲響；在彎道行駛時(shí)，一側(cè)的車輪與鋼軌之間摩擦出火花，并有掉道的危險(xiǎn)。此車從生產(chǎn)廠家接出來(lái)只行駛了2.6萬(wàn)公里，當(dāng)時(shí)判斷JW-4型軌道作業(yè)車的車軸齒輪箱出現(xiàn)了問(wèn)題，打開(kāi)車軸齒輪箱檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障原因，接著又排除了制動(dòng)系統(tǒng)故障，仍然沒(méi)有解決實(shí)際問(wèn)題。當(dāng)打開(kāi)了換向分動(dòng)箱的放油塞，放出換向分動(dòng)箱里面的油時(shí)，發(fā)現(xiàn)有金屬屑從箱體中流出，潤(rùn)滑油質(zhì)非常的差，當(dāng)即拆開(kāi)換向分動(dòng)箱，拆卸箱體里的一軸、二軸、三軸、游動(dòng)齒輪、滑動(dòng)直齒輪、滑動(dòng)齒輪、甩油齒輪等配件后，發(fā)現(xiàn)換向分動(dòng)箱差速器的兩個(gè)半軸齒輪的牙齒打壞，差速器的十字軸已經(jīng)斷裂。

2　J W-4型軌道作業(yè)車換向分動(dòng)箱差速器簡(jiǎn)介

JW-4型號(hào)軌道作業(yè)車在進(jìn)入曲線運(yùn)行時(shí)，其在曲線部分的車軸和直線部分的車軸轉(zhuǎn)速不同，在機(jī)械傳動(dòng)的軌道作業(yè)車中，為防止兩軸速度不一造成車輪打滑，在前后車軸共同驅(qū)動(dòng)裝置換向分動(dòng)箱中增設(shè)差速器來(lái)解決這一問(wèn)題，目前，絕大數(shù)機(jī)械傳動(dòng)軌道作業(yè)車均在換向箱中安設(shè)差速器。遇到轉(zhuǎn)變情況，內(nèi)側(cè)輪對(duì)要比外側(cè)輪對(duì)受到的阻力大，這時(shí)候差速器就會(huì)發(fā)生作用，實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)側(cè)輪對(duì)減速外側(cè)車輪增速的過(guò)程，已達(dá)到車輛的順得轉(zhuǎn)彎。（見(jiàn)圖1）

圖1　輪對(duì)轉(zhuǎn)彎示意圖

差速器主要由十字軸、行星齒、半軸齒輪、差速器外殼體等組成，因?yàn)橛行行驱X的存在，使兩個(gè)半軸齒輪雖在差速器外殼的同時(shí)帶動(dòng)下傳動(dòng)，卻可以輸出不同的速度，以而實(shí)現(xiàn)差速功能。（見(jiàn)圖2）

圖2　差速器裝配示意圖

3　差速器十字軸的功能

差速器十字軸是差速齒輪的定位軸，它與差速器殼之間不允許松動(dòng)。但是由于十字軸經(jīng)常承受著驅(qū)動(dòng)車輪的驅(qū)動(dòng)力，加上十字軸與差速器殼、差速齒輪松曠，則齒輪傳動(dòng)空量增加，這就容易發(fā)生十字軸斷軸。我單位JW-4型軌道作業(yè)車在施工過(guò)程中，經(jīng)常要短距離起步、停車，差速器殼也在間斷地撞擊十字軸，同時(shí)十字軸也撞擊著差速齒輪，于是就形成了十字軸軸線擺差、應(yīng)力集中，最后十字軸折斷。十字軸折斷后會(huì)產(chǎn)生鏈鎖反應(yīng)：十字軸或一字橫軸折斷時(shí)差速齒輪就失去了定位，齒輪發(fā)生破裂，甚至半軸齒輪牙齒也受損傷，車輪驅(qū)動(dòng)也就停止了。由此可見(jiàn)，差速器的可靠性取決于十字軸的良好程度。

4　原因分析

我們與生產(chǎn)廠家技術(shù)人員一起對(duì)差速器十字軸的斷裂件做力學(xué)性能與金相組織的分析。圖紙要求的材質(zhì)為20CrMnTi，低碳合金鋼。原始材料：σ b≥1 979 N/mm2；σ s≥883 N/mm2；δ 5≥8%；AKv≥50；akv≥78.5 J/cm2，對(duì)十字軸的熱處理要求，圖紙標(biāo)注為：滲碳層深0.7～1.1 mm；表面硬度：HR C58-63；心部硬度：HR C30-43。

采用Q C/T 262-1999、J B 8925-2008、G B/ T 230等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)十字軸的表面硬度、心部硬度、滲碳層深及材質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，其C、Si、M n、C r、T i等金屬元素全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

但差速器十字軸在滲碳淬火工藝處理中，次表層形成較大的拉應(yīng)力，致使?jié)B碳層表面與心部結(jié)合力減弱，從而產(chǎn)生裂紋；斷裂件的心部組織不合格，為中等粗細(xì)板馬氏體與較多鐵素體（5級(jí)），超出4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，馬氏體針比較粗大，裂紋也會(huì)增多。形成了貝氏體的組織，貝氏體組織的存在，降低了差速器十字軸的滲碳層的硬度，降低了耐磨性及疲勞極限，并且在組織內(nèi)部容易產(chǎn)生細(xì)微裂紋，導(dǎo)致差速器十字軸的斷裂。

5　改進(jìn)措施

對(duì)差速器十字軸的斷裂進(jìn)行原因分析后，發(fā)現(xiàn)十字軸的材質(zhì)金屬化合物和滲碳層深是問(wèn)題發(fā)生的主要原因。經(jīng)與廠家技術(shù)人員討論，采用以下解決方案：

（1）材質(zhì)方面：將差速器十字軸的材質(zhì)同20CrMnTi低碳鋼更改為20-22CrMoH合金滲碳鋼，合金滲碳鋼20-22CrMoH與低碳鋼20CrMnTi對(duì)比，在化學(xué)成份、淬透性、有效滲碳層深、非馬氏體組織的厚度等方面，均具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。合金滲碳鋼20-22CrMoH的滲碳層深：1.6-2.0mm、表面硬度：HR C60-65、心部硬度：HR C33-45。 由此可見(jiàn)合金滲碳鋼20-22CrMoH，增加了差速器十字軸表面硬度、心部硬度與表面的滲碳層深度，細(xì)化了組織，避免心部產(chǎn)生較多的鐵素體，減少非馬氏體組織的厚度，提高了差速器十字軸表面的強(qiáng)度，從而提高差速器十字軸的多次沖擊抗力、疲勞斷裂周期和耐磨性。

（2）差速器十字軸產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝方面：下料→鍛造→正火→銑端面→鉆中心孔→中間檢查→車外圓、倒角、車槽→銑平面→中間檢查→滲碳處理→感應(yīng)加熱淬火＋低溫回火處理→粗磨軸頸→精磨軸頸→最終檢查→磷化處理。從整個(gè)生產(chǎn)工藝得知，差速器十字軸在鍛造及滲碳工藝時(shí)，容易產(chǎn)生細(xì)微裂紋，影響零件的質(zhì)量，造成斷裂隱患。因此，在整個(gè)生產(chǎn)工藝中增加了三次表面磁粉探傷檢查，以免有不合格產(chǎn)品混入。

（3）加工工藝方面：從加工工藝上降低表面粗糙度，提高表面精度、表面質(zhì)量與技術(shù)要求，確保各軸線之間的不相交度公差與垂直度公差。在十字軸的圓弧過(guò)渡處增加倒圓角，同時(shí)進(jìn)一步減少應(yīng)力集中。

6　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)在設(shè)計(jì)和材料上的改進(jìn)后，通過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行，該批車輛差速器十字軸再也沒(méi)有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而有效的保證了JW-4型軌道作業(yè)的行車安全。

[1]曾正明主編.實(shí)用金屬材料選用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]秦大同，謝里陽(yáng)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，第三卷，化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]曹曉龍.290型軌道車換向分動(dòng)箱的設(shè)計(jì).大連交通大學(xué)，2008.

U270

A

1671-0711（2016）09（下）-0036-02