機車牽引電機鑄造傳動端端蓋裂紋缺陷分析與工藝改進

周志強，李 頡

（中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502）

關鍵字： 電機傳動端端蓋；結(jié)構(gòu)；裂紋分析；壽命

H X D2重載貨運機車裝配的電機是機車的心臟，其質(zhì)量好壞關系到整個機車的運行安全，牽引電機傳動端端蓋是低合金鑄鋼件，該鑄件即要承受電機傳動載荷，同時還要承受機車劇烈震動產(chǎn)生的應力，由于運行環(huán)境惡劣，配件所處位置關鍵，因此不允許出現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷。該電機是我國通過技術引進，引進法國牽引電機制造技術制造的電機，裝配H X D2重載貨運機車，是目前我國較為先進機車，載重量大、速度快、運行可靠，主要運行在大秦線上，承擔著我國內(nèi)煤外運任務，機車可靠運行與否影響國民經(jīng)濟的發(fā)展。

1 課題的提出

1）H X D2重載貨運機車裝配的電機，在二次二年檢過程中，發(fā)現(xiàn)端蓋在窗口部位R圓角處出現(xiàn)裂紋缺陷，最嚴重的出現(xiàn)貫穿性裂紋，直接影響電機的后續(xù)運行。典型的裂紋缺陷見圖1.

圖1 現(xiàn)場端蓋裂紋狀況

2）端蓋裂紋情況的統(tǒng)計

該機車為引進產(chǎn)品，機車電機供方有兩家，一是法國的阿爾斯通公司，二是永濟公司，共檢修二次二年檢電機933臺，其中阿爾斯通原裝電機240臺，永濟電機693臺。探傷發(fā)現(xiàn)傳動端端蓋裂紋共計70臺，裂紋分統(tǒng)計情況見表1.

表1 端蓋裂紋情況統(tǒng)計表

2 端蓋結(jié)構(gòu)及選用材料

2.1 端蓋材料化學成分

端蓋材料為Z G25M nCr N i M o，鑄鋼材料的化學成分應符合表2的規(guī)定。

表2 低合金鑄鋼端蓋化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

2.2 力學性能

鑄鋼件經(jīng)適當熱處理后的力學性能應符合表3的規(guī)定。

表3 ZG25MnCrNiMo鑄鋼件力學性能

圖2 端蓋三維建模圖

2.3 鑄件的結(jié)構(gòu)特點

鑄件輪廓尺寸為外圓φ820 mm×400 mm的圓盤結(jié)構(gòu)，毛重325 kg，主體壁厚為41 mm，最大壁厚為75 mm，鑄件平均模數(shù)為21 mm，且最大熱節(jié)位于鑄件中部，不利于鑄件實現(xiàn)順序補縮凝固，結(jié)構(gòu)復雜，壁厚不均勻。鑄件關鍵部位要求進行X射線探傷檢查，缺陷等級小于AST M.E446 標 準 ，A、B、C 3級。磁粉探傷等級需滿足E N1369-1996的3級要求，鑄件結(jié)構(gòu)見圖2.

3 鑄件端蓋產(chǎn)生裂紋缺陷原因分析

3.1 端蓋裂紋缺陷現(xiàn)場直觀分析

由統(tǒng)計資料可知，阿爾斯通制造電機與永濟公司制造電機均發(fā)現(xiàn)端蓋R30處裂紋，且傳動端端蓋裂紋出現(xiàn)部位較為集中，均為電機正常臥放大止口朝下放置時，窗口右上角及右下角位置R30圓弧處，如圖3所示。經(jīng)過對裂紋處進行打磨、探傷、查看裂紋深度，同時根據(jù)裂紋出現(xiàn)的部位，對鑄件整體結(jié)構(gòu)進行分析，初步認為出現(xiàn)此裂紋的原因可能是：

1）該電機從阿爾斯通技術引進時，要求傳動端端蓋上R30位置為鑄造表面而非加工面，且R30表面未要求其粗糙度精度，R30處從結(jié)構(gòu)上是兩種不同截面過度區(qū)域，分析為應力集中部位，因為表面凸凹不平，有鑄造棱角存在造成應力集中，電機在長期運行過程中，端蓋承受振動，會在應力最大、結(jié)構(gòu)強度最薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生疲勞源，進而擴展延伸成為裂紋。

2）機車在線運行工況復雜，長期過載運行造成端蓋配件疲勞現(xiàn)象，鑄件疲勞是配件產(chǎn)生裂紋潛在因素。

圖3 端蓋裂紋形貌

3.2 端蓋裂紋缺陷微觀分析

為了深層次對端蓋裂紋進行分析，確定裂紋的性質(zhì)，對傳動端端蓋出現(xiàn)裂紋的缺陷進行微觀分析，缺陷經(jīng)過處理后見圖4、圖5.

圖4 撕裂棱

圖5 疲勞弧線

圖6 疲勞區(qū)1

圖7 疲勞區(qū)2

圖8 斷口形貌

從微觀圖4、圖5可以看出，裂紋缺陷微觀形貌為沿晶斷裂，靠近表面為沿柱狀晶撕裂區(qū)，靠近中心為等軸晶撕裂區(qū)，末端區(qū)部有幾處從V字形界線為源區(qū)的疲勞擴展區(qū)，見圖6、圖7.V字形區(qū)域（見圖8）和界限上可見氣泡、夾雜、偏析、縮松等。在V字形界線形成兩個源區(qū)，一個源區(qū)向心部疲勞擴展，可見發(fā)散狀撕裂臺階，疲勞源區(qū)弧線較為細密，擴展區(qū)疲勞弧線相對稀疏，另一個源區(qū)平行于表面擴張，直到與另一個源區(qū)撕裂區(qū)匯合，該處疲勞斷開較為粗糙，可能與此處鑄造偏析晶粒粗大有關。

端蓋開裂的原因為受較大應力造成疲勞開裂，表面的孔洞和R角不平整加速其裂紋擴大，源區(qū)表面的鑄造缺陷加速了其開裂。

3.3 有限元建模分析

為了更好地分析端蓋裂紋產(chǎn)生原因，建立了端蓋分析模型，并進行了有限元分析。

應用A N S Y S W orkbench有限元分析軟件進行分析，基礎模型在Proe中修改并導出，具體模型方案如圖9和圖10所示。圖9為倒圓角設計方案，圖10為未倒圓角方案。R30過度窗口兩邊，原設計為未注圓角R5，經(jīng)實物觀察與分析，裂紋出現(xiàn)初始部位大部分均位于該處，說明該處為應力集中區(qū)，因此從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計要改善應力集中狀況，增大過度圓角是改善應力集中通常行之有效的辦法，就本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性，過度圓角最大可做到R15.

圖9 R30帶倒角建模圖

圖10 R30不帶倒角建模圖

計算應力結(jié)果見表4.

表4 各方案的端蓋應力值比較

計算模型1條件下，端蓋應力值最大為σmax=242.04 M Pa；模型2端蓋應力值最大為σmax=287.98 M Pa，比模型1應力值增加約20%.

方案1端蓋應力模擬云圖見圖11、方案2見圖12.應力極限要求：σmax＜σs.條件 1：242.04 M Pa＜570 M Pa，條件 2：287.98 M Pa＜570 M Pa.

兩種計算方案下，端蓋靜強度考核均滿足條件。相同邊界與加載條件下，計算方案2應力集中明顯，安全系數(shù)最小。窗口均為靜強度應力最大處，時效作用下，窗口位置裂紋的萌生與擴展與靜強度極值關系密切，則計算模型2為最易萌生裂紋的模型。

圖11 帶倒角整體應力云圖

圖12 不帶倒角整體應力云圖

4 工藝改進方案和措施

1）增加R a圓角減少應力集中。原窗口R30過度圓角為未注圓角R5，通過分析與驗證現(xiàn)結(jié)構(gòu)改為R10～R15.

2）改善鑄造工藝減少R角處鑄造缺陷，提高表面粗糙度，減少應力集中系數(shù)。改善工藝方案為，在R30圓弧處，在造型時使用鉻鐵礦砂，提高型砂耐火度，對該部位進行激冷處理，減少鑄造缺陷的產(chǎn)生，改善鑄件凝固狀況。

3）對R角進行表面硬化。如吹砂、表面感應淬火，增加表面的機械強度。

4）控制機車過載狀況，降低鑄件過早產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。

5 結(jié)論

采取增加R a圓角的大小減少應力集中，改善鑄造工藝減少R角處鑄造缺陷，提高表面粗糙度，減少應力集中系數(shù)。對R角進行表面硬化，如吹砂、表面感應淬火，增加表面的機械強度等措施。對改進后產(chǎn)品進行記錄，在后續(xù)年檢過程中，對機車端蓋進行普查共計150臺，發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷3臺，缺陷率由原來綜合8.36%下降到目前3%，裂紋明顯減少，端蓋裂紋的質(zhì)量問題得到有效控制，機車運行可靠性得到持續(xù)提高。