沈陽地鐵二號線電機軸斷裂原因分析

董曉宇　張鐵

摘要：車門系統(tǒng)在地鐵車輛的正線運營中起著至關(guān)重要的作用，電機作為車門系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)，正線電機軸斷裂故障將導致列車下線，影響正線運行。通過分析已斷裂電機軸的位置及截面特征，電機軸斷裂為疲勞斷裂，可由材質(zhì)、工藝、強度等缺陷引起，并針對引起電機軸斷裂的原因提出有效解決措施。

關(guān)鍵詞：車門;電機軸;受力分析

一、研究背景及意義

（一）研究背景

在地鐵車輛的運營過程中，車門系統(tǒng)是故障頻發(fā)的系統(tǒng)，提高車門系統(tǒng)的可靠性、減少故障率對降低電客車正線影響和提高服務(wù)質(zhì)量起至關(guān)重要的作用。沈陽地鐵二號線客室車門采用雙扇電控電動內(nèi)藏式車門，由門控器、驅(qū)動電機、齒帶傳動裝置等組成。車門的頻繁使用造成了驅(qū)動電機的頻繁動作，易受集中力作用而產(chǎn)生疲勞斷裂。正線運營時電機軸斷裂會導致車門無法關(guān)閉，引起電客車下線，影響地鐵運營。

（二）研究意義

沈陽地鐵二號線運營至今發(fā)生過多起正線電機軸斷裂的事件，嚴重影響正線運營。通過對電機軸材質(zhì)、工藝質(zhì)量、電機軸的受力及電機軸的受力分析，明確造成電機軸斷裂的主要因素，通過合理措施減少電機軸在車門動作時的受力或增加其強度，延長電機軸使用壽命，降低正線故障率。

二、電機軸斷裂原因分析

（一）車門電機簡介

沈陽地鐵二號線采用德國Dunkermotoren60V永磁直流電動機，裝配時由電機安裝座固定在安裝底板上。電機軸與齒帶輪為平鍵連接，內(nèi)部含有錐齒輪減速器，可將電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)變向及減速，從而輸出到齒帶輪。

（二）電機軸斷裂情況

電機軸斷裂位置位于鍵槽末端，整個斷口較為平整，斷面上有條帶狀結(jié)構(gòu)，為塑性斷口，斷面存在明顯的疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，為疲勞斷裂。疲勞斷裂是由于部件受到交變應力的作用，在局部應力集中或強度較低的部位首先產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展導致的斷裂，一般發(fā)生在尖角、缺口、界面突變等應力集中的位置。

（三）電機軸斷裂原因分析

1.工藝缺陷

電機與安裝座之間通過4個緊固螺栓進行連接，以保證電機安裝端面與電機軸的垂直要求。電機支架良好的加工工藝可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求，但在加工缺口或螺紋孔時易在平面中形成零點幾毫米凸臺或凹陷，導致安裝完成后電機軸與安裝端面不垂直，在運行過程中電機軸承受額外的交變彎曲力矩，長期受力易在應力集中處形成斷裂。另一方面，電機軸的非配合面在加工時經(jīng)常被忽視，軸表面和軸肩過渡圓角處常留有刀痕，表面粗糙度過大，狀態(tài)系數(shù)降低，使軸的抗疲勞能力降低而引起折斷。

2.材質(zhì)缺陷

材質(zhì)的強度代表電機軸在有外力作用時抵抗破壞的能力，強度高的材料抵抗外力的能力較強，材質(zhì)的強度較低時，在長期工作條件下，易在受力較大處產(chǎn)生斷裂，因此材料的選用不當和材料的質(zhì)量低劣是導致電機軸斷裂的重要原因。

3.應力集中

應力集中是電機軸斷裂最常見的原因。電機軸在設(shè)計和工藝上經(jīng)常有越程槽、卸載槽等結(jié)構(gòu)，如果槽結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、過渡圓角太小或軸徑變化大，在交變應力的作用下，這些部位的應力分布會極不均勻，在應力特別高的部位逐步形成微觀裂紋且逐漸擴展，最后導致脆性斷裂。二號線車門電機軸上設(shè)計有鍵槽，電機動作時鍵槽的兩個工作面受力，在長期承受交變彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力的作用下易產(chǎn)生斷裂。用proe對電機軸進行建模，并進行靜強度分析，發(fā)現(xiàn)電機軸鍵槽端部受應力最大，與實際斷裂處一致，說明鍵槽的存在使其在端部引起了應力集中，是電機軸斷裂的主要原因。（見圖1）

三、改進措施

（一）在軸的加工過程中，注意軸非工作面的加工，保證設(shè)計中表面粗糙度的要求。

（二）在選擇材料時選擇強度較高的材料。沈陽地鐵二號線原使用電機軸材料為不銹鋼，強度極限520MPa，現(xiàn)使用電機軸為42絡(luò)鉬4釩，強度極限1080MPa，高于不銹鋼的強度極限，在使用過程中合金材質(zhì)的電機軸未發(fā)生過斷裂。

（三）在門機構(gòu)的配合方面，檢修過程中及時檢查滑道、導軌等有無異物，確保門板處于正確位置，避免由于門板與毛刷間隙過小、異物卡滯等原因造成開門力變大，增加電機所受載荷。

（四）優(yōu)化電機軸上齒帶輪的安裝方式。將齒帶輪的連接方式由懸臂式改為電機軸兩端支撐，電機安裝在支架上，電機齒帶輪兩端通過安裝在電機支架上的2個滾動軸承進行支撐。該結(jié)構(gòu)可避免電機軸因懸臂結(jié)構(gòu)造成在開關(guān)門時的受力不均從而造成電機軸出現(xiàn)斷裂的情況。

參考文獻：

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