龐巴迪CX-100型車輛牽引電機(jī)聯(lián)軸節(jié)故障原因分析及解決措施

胡鐵軍，華 海

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510000）

1 概述

廣州地鐵珠江新城核心區(qū)旅客自動(dòng)輸送系統(tǒng)APM線（Automated People Mover）采用美國(guó)龐巴迪CX-100型車輛，該車型采用直流牽引電機(jī)傳動(dòng)，電機(jī)型號(hào)為龐巴迪1460-P4，該型電機(jī)于2016年達(dá)到架修期。廣州地鐵于2016年陸續(xù)將該型直流電機(jī)送往電機(jī)廠家進(jìn)行委外維修，在2017年初，APM線發(fā)生了一起因委外維修后的牽引電機(jī)聯(lián)軸節(jié)脫落導(dǎo)致區(qū)間清客的事件，對(duì)APM線運(yùn)營(yíng)安全造成了重大影響。為了找出本起故障的根本原因，徹底消除其他已完成委外維修的電機(jī)的同類安全隱患，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，找到了故障原因，對(duì)已完成委外維修的電機(jī)進(jìn)行了復(fù)核檢查，并針對(duì)后續(xù)維修提出了相應(yīng)的解決措施。

2 故障分析

該起故障為委外維修后的電機(jī)出現(xiàn)了故障，經(jīng)過對(duì)聯(lián)軸節(jié)、電機(jī)軸、軸端緊固螺母等進(jìn)行詳細(xì)檢查后，初步判斷故障原因?yàn)槁?lián)軸節(jié)套裝過盈量不足。為查找聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量不足的根本原因，本文先從本次委外維修與其他電機(jī)委外維修的區(qū)別開始分析，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)來逐步分析故障原因。

2.1 本次委外維修與其他電機(jī)委外維修的區(qū)別

通過對(duì)比其他電機(jī)委外維修情況，可以發(fā)現(xiàn)本次委外維修的區(qū)別在于：

（1）龐巴迪公司出于技術(shù)封鎖和商務(wù)利益考慮，不向廣州地鐵提供電機(jī)維修相關(guān)的任何資料；

（2）為了打破技術(shù)封鎖，節(jié)省維修成本，廣州地鐵將電機(jī)委托給國(guó)內(nèi)具有大型電機(jī)維修經(jīng)驗(yàn)、業(yè)績(jī)項(xiàng)目良好的廠家進(jìn)行技術(shù)參數(shù)測(cè)繪和工藝研究，并實(shí)施維修。

經(jīng)初步測(cè)量，再結(jié)合國(guó)內(nèi)同類型電機(jī)材質(zhì)參數(shù)對(duì)比，基本確定委外維修廠家的技術(shù)參數(shù)測(cè)繪結(jié)果正確。下文將根據(jù)技術(shù)參數(shù)測(cè)繪結(jié)果論證維修工藝中聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量的準(zhǔn)確性。

2.2 影響聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量的因素分析

根據(jù)電機(jī)軸與聯(lián)軸節(jié)的套裝工藝[1]可知，影響聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量的關(guān)鍵因素有六個(gè)，分別為：

（1）聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量由軸向套入量來保證，所以聯(lián)軸節(jié)套入量是一個(gè)至關(guān)重要因素；

（2）電機(jī)軸錐面圓跳動(dòng)；

（3）聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔與軸錐面有無拉傷/毛刺等異常；

（4）聯(lián)軸節(jié)探傷檢測(cè)結(jié)果；

（5）電機(jī)軸錐面與聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔的接觸面積；

（6）聯(lián)軸節(jié)加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)。

下文將對(duì)以上六個(gè)關(guān)鍵因素逐一進(jìn)行分析。

2.2.1 聯(lián)軸節(jié)套入量

2.2.1.1 聯(lián)軸節(jié)套入量的理論計(jì)算

龐巴迪1460-P4型電機(jī)通過外錐度軸與聯(lián)軸節(jié)配合（即軸錐配合）后牽引負(fù)載，該型電機(jī)額定功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min，其額定轉(zhuǎn)矩為326 N·m[2]。由于該電機(jī)缺少起動(dòng)特性以及短路轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，計(jì)算時(shí)為了保證軸錐配合在不超出材料強(qiáng)度條件下保證傳遞力的可靠性，該電機(jī)按814 N·m（按同類電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)2.5倍計(jì)算得出）的最大轉(zhuǎn)矩對(duì)軸錐配合進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

表1 外錐度軸與聯(lián)軸節(jié)配合基本尺寸及電機(jī)轉(zhuǎn)矩參數(shù)

計(jì)算過程如下：

傳遞載荷需要的最小壓力：

同理，可計(jì)算出零件不產(chǎn)生塑性變形允許的最大有效過盈量（考慮裝入壓平的影響）δmax=0.244 mm。

聯(lián)軸節(jié)套入量為H=δ×9.6，為1.2～1.4 mm。

2.2.1.2 聯(lián)軸節(jié)套入量的實(shí)際校核

為了確認(rèn)已完成委外維修的電機(jī)的聯(lián)軸節(jié)套入量大小，對(duì)19臺(tái)電機(jī)（其中本次故障前維修14臺(tái)、故障后維修5臺(tái)）進(jìn)行了復(fù)核檢查，復(fù)核檢查嚴(yán)格按照電機(jī)聯(lián)軸節(jié)的拆裝工藝和流程[1]進(jìn)行，重點(diǎn)記錄復(fù)核前后軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸A（見圖1）和聯(lián)軸節(jié)套入量，表2是復(fù)核前后軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸A記錄表。

圖1 軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸A

對(duì)于實(shí)際套裝或復(fù)核作業(yè)，聯(lián)軸節(jié)的套入量由套裝過程中的冷態(tài)套裝尺寸A冷和熱態(tài)套裝尺寸A熱這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定，聯(lián)軸節(jié)套入量=A熱-A冷。而冷態(tài)套裝尺寸A冷是一個(gè)過程量，熱態(tài)套裝尺寸A熱是一個(gè)結(jié)果量，也就是在實(shí)際套裝或復(fù)核作業(yè)完成后只能重復(fù)檢測(cè)到熱態(tài)套裝尺寸A熱。

通過表2的對(duì)比，可以得出如下幾個(gè)結(jié)論。

本次復(fù)核作業(yè)后聯(lián)軸節(jié)的套入量與理論計(jì)算結(jié)果一致，達(dá)到了1.2～1.4 mm的標(biāo)準(zhǔn)。

通常情況下，每經(jīng)過一次作業(yè)，電機(jī)軸的外徑會(huì)稍微減小，聯(lián)軸節(jié)孔的內(nèi)徑會(huì)稍微變大，這時(shí)A'≤A，差值≤0.2 mm。本次故障前維修的14臺(tái)電機(jī)的軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸對(duì)比為：A'＜A，差值在0.42～1.38 mm之間，遠(yuǎn)超出≤0.2 mm的范圍。說明這14臺(tái)電機(jī)的原套入量不達(dá)標(biāo)，可能套入量小了0.22～1.18 mm。

表2 復(fù)核前后軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸A和軸端突出量記錄表

（3）本次故障后維修的5臺(tái)電機(jī)的軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸對(duì)比為：A'≤A，差值在0～0.1之間，符合≤0.2 mm的范圍。說明這5臺(tái)電機(jī)的原套入量達(dá)標(biāo)。

（4）復(fù)核前后19臺(tái)電機(jī)的套入量散點(diǎn)圖見圖2，套入量必須在1.2～1.4 mm的范圍內(nèi)才達(dá)標(biāo)，正偏離則會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔損傷，負(fù)偏離則會(huì)導(dǎo)致過盈量不足，兩者最終都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸與聯(lián)軸節(jié)的過盈配合失效。

通過對(duì)聯(lián)軸節(jié)套入量進(jìn)行理論計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際復(fù)核數(shù)據(jù)分析后，可知本次牽引電機(jī)聯(lián)軸節(jié)套入量不足，合格率為26.32%。

圖2 復(fù)核前后套入量的散點(diǎn)圖

2.2.2 電機(jī)軸錐面圓跳動(dòng)

電機(jī)軸錐面圓跳動(dòng)的復(fù)核檢查結(jié)果見表3，全部符合小于0.06 mm的標(biāo)準(zhǔn)，說明電機(jī)軸錐面圓跳動(dòng)符合技術(shù)要求，合格率為100%。

表3 電機(jī)軸錐面圓跳動(dòng)的復(fù)核檢查結(jié)果

2.2.3 聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔與軸錐面有無拉傷/毛刺等異常

退卸所有電機(jī)的聯(lián)軸節(jié)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)大修出廠序號(hào)為160303的電機(jī)（裝車位置為03車1#）聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔拉傷（見圖3），必須進(jìn)行表面加工處理。經(jīng)過著色探傷、磁粉探傷檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋，后經(jīng)研磨處理，使電機(jī)錐度軸與法蘭內(nèi)孔接觸面積大于80%，最終套入量為1.20 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)。

除1臺(tái)電機(jī)發(fā)現(xiàn)異常外，其他電機(jī)未發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)或錐度軸存在拉傷的情況，合格率為94.74%。

2.2.4 聯(lián)軸節(jié)探傷檢測(cè)結(jié)果

對(duì)所有聯(lián)軸節(jié)外表面進(jìn)行磁粉探傷，聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔面進(jìn)行滲透探傷檢測(cè)，探傷檢測(cè)結(jié)果均合格，合格率為100%。

圖3 法蘭內(nèi)孔拉傷

2.2.5 電機(jī)軸錐面與聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔的接觸面積

利用紅丹粉檢查電機(jī)軸錐面與聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔的接觸面積，所有接觸面積均大于80%，合格率為100%。

2.2.6 聯(lián)軸節(jié)加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)

聯(lián)軸節(jié)加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)是套入量多少的直接保證。如果加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)不足，電機(jī)軸或聯(lián)軸節(jié)的彈性變形量會(huì)不足，從而直接導(dǎo)致套入量??；如果加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)超標(biāo)，電機(jī)軸或聯(lián)軸節(jié)會(huì)發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致電機(jī)軸或聯(lián)軸節(jié)失效[5]。所以必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)長(zhǎng)，但其是一個(gè)過程量，不能復(fù)盤檢測(cè)，從聯(lián)軸節(jié)套入量不合格率為73.68%，可以推測(cè)出故障前維修的14臺(tái)電機(jī)沒有嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)長(zhǎng)。

2.3 聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量的不足的原因分析

將上文影響聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量的六個(gè)關(guān)鍵因素的復(fù)核結(jié)果繪制成圖4，可知聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量不足的原因?yàn)椋?/p>

圖4 聯(lián)軸節(jié)套裝過盈量的六個(gè)關(guān)鍵因素的復(fù)核結(jié)果

聯(lián)軸節(jié)套入量不足是導(dǎo)致過盈量不足的直接原因；

沒有嚴(yán)格控制聯(lián)軸節(jié)的加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)可能是導(dǎo)致過盈量不足的根本原因；

聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔與軸錐面有拉傷/毛刺等異常，未經(jīng)過精細(xì)加工處理，降低了過盈配合度。

3 解決措施

結(jié)合故障原因和聯(lián)軸節(jié)套裝工藝，本文對(duì)后續(xù)維修電機(jī)的驗(yàn)收與保障提出如下措施。

要求維修廠家對(duì)聯(lián)軸節(jié)套入量、電機(jī)軸錐面圓跳動(dòng)、聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔與軸錐面有無拉傷/毛刺等異常、聯(lián)軸節(jié)探傷檢測(cè)結(jié)果、電機(jī)軸錐面與聯(lián)軸節(jié)內(nèi)孔的接觸面積、聯(lián)軸節(jié)加熱溫度與保溫時(shí)長(zhǎng)等六個(gè)關(guān)鍵工序環(huán)節(jié)進(jìn)行全面質(zhì)量監(jiān)控，提供詳細(xì)的維修工藝卡片，必要時(shí)可要求維修廠家提供維修作業(yè)視頻資料。

完善牽引電機(jī)維修后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收措施，將測(cè)量軸端面與聯(lián)軸節(jié)端面的尺寸A、螺母扭矩與螺釘緊固等作為必檢項(xiàng)目。

維修后的電機(jī)上線運(yùn)營(yíng)初期要強(qiáng)化檢查，對(duì)牽引電機(jī)聯(lián)軸節(jié)、圓螺母與軸進(jìn)行劃線，加密檢查頻次，完善設(shè)備運(yùn)營(yíng)跟蹤記錄。