動車組聯(lián)軸節(jié)滑移襯套滑移失效故障研究分析

周月忠，傅雙波，吳佳歡，李毅磊

(1.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

動車組聯(lián)軸節(jié)作為轉向架驅動部分的關鍵部件，是牽引電動機和齒輪箱之間的連接結構，其主要作用為：將牽引電動機輸出扭矩有效地傳遞至齒輪箱，最后將動力傳遞到車輪；承擔牽引電動機輸出軸與齒輪箱輸入軸之間產生的變位，主要包括軸向和徑向2個維度的變位[1]。動車組運行時，特別是高速運行時，受一系懸掛系統(tǒng)的影響,牽引電動機與齒輪箱之間會產生橫向、縱向、垂向的變化，齒輪箱中心、聯(lián)軸節(jié)中心和牽引電動機中心通常不在同一平面。如果沒有聯(lián)軸節(jié)作為中間的連接，牽引電動機和齒輪箱將在不同平面直接鉸動，定會造成機械結構的損傷，后果非常嚴重。因此，聯(lián)軸節(jié)的另外一個作用就是承載牽引電動機輸出軸與齒輪箱輸入軸之間產生的變位。

動車組通常采用齒式結構的撓性聯(lián)軸節(jié)(除CRH5型動車組采用萬向軸)。鼓型齒聯(lián)軸節(jié)結構緊湊，回轉半徑小，承載能力強，具有較大的變位補償能力，更適合于動車組運行速度快、承載大的特點。目前裝車的聯(lián)軸節(jié)主要包括德國KWD、比利時艾斯克、德國弗蘭德、日本三菱，它們分別裝用在不同平臺動車組上。其中某聯(lián)軸節(jié)最典型故障為滑移襯套松脫,自2015年以來，全路累計發(fā)生7起該聯(lián)軸節(jié)滑移襯套松脫故障，具體如表1所示。本文將對該聯(lián)軸節(jié)的內部結構及力傳遞過程、滑移襯套工作原理及失效原因等進行深入分析，并提出改進建議及措施。

表1 某聯(lián)軸節(jié)滑移襯套松脫故障統(tǒng)計

1 聯(lián)軸節(jié)結構原理

1.1 內部結構

該聯(lián)軸節(jié)為脂潤滑聯(lián)軸節(jié)，分為電動機側聯(lián)軸節(jié)和齒輪箱側聯(lián)軸節(jié)[2]。如圖1所示，電動機側聯(lián)軸節(jié)主要包括滑移襯套、內齒圈(外套)、鼓形齒、冠狀齒、密封端蓋、端蓋螺栓、定位銷等[3]；齒輪箱側聯(lián)軸節(jié)與電動機側聯(lián)軸節(jié)相比，少了滑移襯套、壓板、端蓋螺栓和定位銷。兩側聯(lián)軸節(jié)通過電動機側與齒輪箱側鼓形齒上的冠狀齒嚙合，再經(jīng)8顆連接螺栓組緊固在一起，緊固螺栓不承受剪切力，冠狀齒外側采用密封圈密封，以防止外界水汽進入聯(lián)軸節(jié)內部。

圖1 聯(lián)軸節(jié)結構剖面圖

1.2 力傳遞過程

圖2為該聯(lián)軸節(jié)力傳遞路徑圖。正常情況下，牽引電動機主軸通過與滑移襯套的過盈配合靜摩擦力帶動滑移襯套旋轉，滑移襯套通過與內齒套的過盈配合靜摩擦力帶動內齒套旋轉。電動機側聯(lián)軸節(jié)內齒套與鼓形齒為齒嚙合結構，將內齒套的牽引力再傳遞至鼓形齒，牽引電動機側與齒輪箱側聯(lián)軸節(jié)通過齒嚙合以及緊固螺栓緊固連接，將電動機側產生的牽引力傳遞至齒輪箱側聯(lián)軸節(jié)鼓形齒，再傳遞至齒輪箱側聯(lián)軸節(jié)內齒套，進而傳遞至齒輪箱小齒輪以及大齒輪，將牽引力傳遞至輪對[4]。

1.內齒套；2.鼓形齒；3.鼓形齒；4.內齒套；5.滑移襯套；6.電動機主軸。

1.3 過載保護原理

圖3為滑移結構原理圖，滑移襯套與牽引電動機主軸是過盈配合，其接觸面為圖3中所示的B面。滑移襯套與內齒套也是過盈配合，其接觸面為圖3中所示的A面。B面與A面相比，其設計的過盈量要更大[5]。當牽引電動機輸出扭矩(設計值7 000～10 500 N·m)超過A面所能承載的最大靜摩擦力時，滑移襯套與聯(lián)軸節(jié)內齒套之間會發(fā)生相對滑動，以確保過大的扭矩不會傳遞至齒輪箱。

圖3 滑移結構原理圖

2 聯(lián)軸節(jié)滑移襯套滑移失效原因分析

2.1 滑移襯套過載保護力矩傳遞分析

在出現(xiàn)過大扭矩時，滑移襯套若要正常實現(xiàn)過載保護，需要同時滿足以下2個條件：一是接觸面A(滑移面)出現(xiàn)相對轉動；二是接觸面B(固定面)不得出現(xiàn)相對轉動。當接觸面A和接觸面B處于異常狀態(tài)時，會導致聯(lián)軸節(jié)出現(xiàn)不同類型的故障，具體分析如表2所示。

表2 聯(lián)軸節(jié)滑移襯套滑移失效模式

2.2 滑移襯套滑移失效原因分析

滑移襯套滑移失效也就是牽引電動機輸出扭矩過大時過載保護失效?；埔r套滑移失效有2種表現(xiàn)形式：“該滑移時沒有滑移”及“不該滑移時滑移”。前者失效的主要原因包括滑移襯套實際過盈量過大，超過了設計值(7 000～10 500 N·m)；電動機主軸與滑移襯套配合面(B面)先發(fā)生滑移，造成定位銷被剪斷、壓蓋螺栓松動或斷裂，最終導致滑移襯套滑移失效。后者失效的主要原因包括電動機輸出了較大扭矩，直接對滑移襯套造成不可逆的破壞；牽引電動機輸出的扭矩過大造成A面頻繁滑移，滑移次數(shù)超過允許次數(shù)(設計值為100次)，導致滑移襯套滑移失效。

進一步分析引起聯(lián)軸節(jié)故障的因素，可以歸結為內因和外因兩部分。其中內因是指聯(lián)軸節(jié)在制造、組裝等方面造成的滑移襯套配合過盈量不符合要求或者組裝不到位；外因是指牽引電動機輸出的扭矩過大。

2.2.1 制造因素

影響聯(lián)軸節(jié)制造的關鍵因素有2個：一是工件機加工尺寸；二是滑移襯套的表面處理工藝。

2.2.1.1機加工尺寸

機加工關鍵尺寸包括滑移襯套的長度、滑移襯套前端和后端的內外表面直徑、滑移襯套的錐度、內齒套長度及外徑等，這些尺寸均會影響組裝后的過盈量。

為了驗證滑移襯套故障是否與機加工尺寸精度有關，本文選取故障件進行尺寸測量，同時選取新件進行測量，用于數(shù)據(jù)對比。通過對比測量結果發(fā)現(xiàn)，新件與故障件在各處的直徑、錐度、長度等差別很小，但故障件的個別尺寸超出限度范圍。

2.2.1.2表面處理工藝

該聯(lián)軸節(jié)滑移襯套材質為銅合金。機加工后，在銅質摩擦襯套的外表面進行表面處理，噴涂一層含有鉬、硫等元素的金屬涂層，其目的主要是為了提高表面硬度，降低表面摩擦因數(shù)(摩擦因數(shù)由0.15～0.20降低至0.10～0.12)，同時涂層對摩擦面還起到保護作用。由于表面處理工藝對涂層厚度、各配合面的過盈量及表面摩擦因數(shù)起著至關重要的作用，因此對涂層工藝有很高的質量要求。

2.2.2 組裝因素

滑移襯套最大承載扭矩主要通過過盈量的大小來決定[6]，動車組新造及高級修時均涉及到聯(lián)軸節(jié)的組裝。在聯(lián)軸節(jié)組裝過程中，組裝工藝及組裝后的各項參數(shù)尺寸決定了最終的過盈量是否符合要求，具體包括以下幾個方面：

(1) 壓裝前電動機主軸與滑移襯套內端面貼合率≥85%。為了保證牽引電動機主軸與滑移襯套的接觸面(B面)有足夠的靜摩擦力，需要保證這個接觸面在壓裝前有足夠的貼合率。如果主軸與滑移襯套的內端面貼合不良，會造成靜摩擦力不足。一旦電動機輸出一個較大扭矩，B面會先于A面滑動。若B面出現(xiàn)相對滑動，電動機主軸與滑移襯套將會發(fā)生相對轉動，則會破壞壓蓋、壓蓋螺栓及定位銷，同時可能出現(xiàn)軸向的竄動。

(2) 電動機主軸與滑移襯套壓裝時，推力泵壓力為40～45 MPa，膨脹泵壓力為150～155 MPa，且保壓(20±2) min。在進行壓裝之前，滑移襯套與聯(lián)軸節(jié)內齒套之間為間隙配合，當滑移襯套壓裝到電動機主軸上時，會產生尺寸擴張效應，使滑移襯套與聯(lián)軸節(jié)內齒套之間由間隙配合變?yōu)檫^盈配合。一旦壓裝不到位，就會造成過盈量不足，使A面或B面的最大承載扭矩偏小，容易造成滑移失效。另外，需要使滑移襯套與牽引電動機主軸配合面之間的液壓油充分被擠壓，以保證滑移襯套內圈與牽引電動機主軸面直接接觸。如果保壓時間不足，則容易導致滑移襯套與牽引電動機主軸配合面之間的液壓油殘留，從而影響B(tài)面靜摩擦力。

(3) 牽引電動機主軸與滑移襯套壓裝完成后，滑移襯套外端面高出內齒套端面的距離≥0.2 mm。也就是說，壓裝安裝后，壓蓋是壓在滑移襯套上，而沒有壓到內齒套。如果沒有0.2 mm的間隙，相當于壓蓋直接壓在內齒套上。此時，一旦滑移襯套出現(xiàn)滑移保護時，壓蓋由于隨著滑移襯套及主軸一起轉動，那么就會與內齒套產生徑向摩擦力，嚴重時導致定位銷被剪斷，進一步破壞密封端蓋及端蓋螺栓。

(4) 壓裝完成后使用塞尺檢查牽引電動機主軸端面與滑移襯套間隙≤0.1 mm。這個尺寸可以表示牽引電動機與滑移襯套是否壓裝到位。如果間隙過大，則說明滑移襯套還沒有完全壓入。

(5) 電動機主軸與滑移襯套壓入行程在5.3～7.1 mm。壓入行程實際反映了滑移襯套的過盈量大小。通過試驗臺對不同壓入行程的聯(lián)軸節(jié)進行滑移扭矩試驗，發(fā)現(xiàn)滑移扭矩受壓入行程影響較大(圖4)。

圖4 不同壓入行程與聯(lián)軸節(jié)滑移扭矩的關系

(6) 電動機主軸壓蓋螺栓安裝到位。牽引電動機主軸是一個錐形結構。端部設置了壓蓋將電動機主軸和滑移襯套使用螺栓緊固方式進行固定，固定螺栓本身不傳遞任何扭矩，其作用是保證滑移襯套即便出現(xiàn)過載滑移，仍能保持在指定的安裝位置。如果壓蓋螺栓首先松動并導致壓蓋松脫，僅依靠滑移襯套和主軸的錐面過盈量抵抗軸向力，那么在軸向力偏大時會出現(xiàn)主軸與滑移襯套脫出現(xiàn)象。

2.2.3 外部扭矩因素

引起滑移襯套滑移失效的另外一個原因可能是牽引電動機輸出較大的扭矩作用于力矩傳遞的環(huán)節(jié)。分析歷年發(fā)生的7起該聯(lián)軸節(jié)滑移襯套滑移失效故障，7起故障均發(fā)生在頭車的4軸。因此，本文對頭車4軸聯(lián)軸節(jié)所受工況進行核查。

2.2.3.1頭車4軸與本車其他軸對比

通過加裝監(jiān)控設備對牽引系統(tǒng)實時輸出扭矩進行采集，采集到的典型數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。整個運營區(qū)間有個別區(qū)段時4軸存在峰值扭矩，同車4個軸之間扭矩最大差值為2 629.4 N·m。

圖5 動車組當日運行時頭車輸出扭矩

圖6 扭矩最大差值區(qū)段輸出扭矩

動車組在運行時，輪對與鋼軌之間存在黏著力，黏著力會導致車輪的前進速度比純滾動時的圓周速度要小，這一現(xiàn)象稱為蠕滑。在同一鋼軌處，頭車1、2、3、4軸是依次駛過，每駛過一次相當于對軌面清掃一次。在鋼軌狀態(tài)不良狀態(tài)下，理論上1軸的黏著力最小，4軸的黏著力相對大一些。針對牽引方式采用車控方案的動車組，當運行方向前3臺電動機出現(xiàn)滑行現(xiàn)象導致輸出牽引力降低時，該輛車不能實時調整輸出功率，因此剩余的功率將轉移至第4臺電動機上，造成第4臺電動機電流增大，輸出扭矩絕對值增大，進而造成在不同車軸上輪軸牽引力存在差異。

2.2.3.2頭車與中間動力車對比

CRH380B平臺動車組是由2組互相對稱的牽引單元組成。每個牽引單元的牽引主電路設備主要由1個受電弓、1臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、8臺牽引電動機和2個牽引控制單元組成。牽引變壓器從受電弓引下的25 kV電源通過原邊繞組轉化為4個牽引繞組電壓，為4臺轉向架供電。4個牽引繞組結構及參數(shù)完全一致，轉化后電壓完全一致。同一牽引單元下的8臺牽引電動機為并聯(lián)關系，從結構和原理上看，8臺牽引電動機之間沒有差異，輸入電壓一致，在負載相同的基礎上，輸出扭矩也一致。實際運用過程中也未發(fā)現(xiàn)中間車存在聯(lián)軸節(jié)滑移現(xiàn)象。

從以上分析可知，因中間動力車的輪對與軌道之間黏著系數(shù)工況較好，產生打滑的概率相對較低，所以中間動力車每臺牽引電動機輸出扭矩也相對均衡。但是頭車因黏著系數(shù)較差的關系，導致4軸輸出扭矩相對本車其他3根軸輸出扭矩偏大。同時每輛動車輸出扭矩又是一樣的，所以相對來說，頭車4軸的輸出扭矩與其他動車輪軸輸出扭矩也是偏大的。即頭車的4軸是最容易發(fā)生滑移襯套滑移失效的一根軸。

3 建議及措施

綜合上述分析，本文從聯(lián)軸節(jié)制造、組裝以及后續(xù)運用環(huán)節(jié)等方面提出以下建議：

(1) 在制造環(huán)節(jié)，由于滑移襯套的長度、前后端的內外表面直徑及錐度、內齒套長度及外徑等機加工的尺寸參數(shù)均會直接影響組裝后的過盈量，同時滑移襯套表面處理和涂層工藝也是影響滑移襯套過盈量及表面摩擦因數(shù)的關鍵。因此，建議加強制造環(huán)節(jié)的質量控制，對關鍵尺寸及表面處理質量進行更高要求的管控。

(2) 在組裝環(huán)節(jié)，確定影響滑移襯套過載保護功能的關鍵尺寸以及關鍵工序，包括滑移襯套內端面與電動機主軸在壓裝前的貼合率(≥85%)，滑移襯套的壓入行程(5.3～7.1 mm)，滑移襯套外端面高出內齒套端面的距離(≥0.2 mm)，滑移襯套壓裝后與電動機主軸端面的間隙(≤0.1 mm)。在動車組新造和高級修時，建議將上述關鍵點納入質量檢查的重點，進而可以避免因組裝不到位引起的聯(lián)軸節(jié)故障。

(3) 在運用環(huán)節(jié)，為了能夠及時發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)故障并采取有效措施，建議將滑移襯套滑移失效故障通過PHM系統(tǒng)進行預警。通過對滑移襯套滑移失效故障與牽引電動機定子溫度的關聯(lián)分析，建立失效模型。建議設定預警邏輯為：將一根軸的牽引電動機定子溫度與同車廂其余3根軸的平均值進行對比，當溫度差值≤25 ℃且持續(xù)5 min時，PHM系統(tǒng)預警預測模塊報出“牽引電動機定子溫度偏低”預警。

4 結束語

本文針對動車組聯(lián)軸節(jié)滑移襯套滑移失效故障，通過對故障原理的研究提出了在制造、組裝及運用環(huán)節(jié)的建議措施，并制定了聯(lián)軸節(jié)故障的PHM預警機制，可以有效防范聯(lián)軸節(jié)滑移襯套滑移失效故障，對動車組運行安全提供有力保障。