某型電力機(jī)車牽引電機(jī)外錐軸無損退小齒輪工藝的研究與應(yīng)用

劉波宏，盧明明，湯 邦，牛艷霞

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

某型電力機(jī)車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸伸部分為外錐結(jié)構(gòu)，小齒輪通過熱套的方式與牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，在牽引電機(jī)分解檢修時(shí)使用油壓拆卸將小齒輪與轉(zhuǎn)軸分離。近年來，牽引電機(jī)返廠檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分外錐軸表面存在損傷，主要表現(xiàn)為一道或多道徑向凹痕跡以及軸向拉傷。根據(jù)2019年1月至2021年12月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，2020年共發(fā)生32起外錐面損傷，比率5.56%，轉(zhuǎn)軸報(bào)廢23個(gè)(3.99%)，具體情況如表1所示。

表1 牽引電機(jī)外錐軸表面損傷情況統(tǒng)計(jì)

從表1可知，因外錐軸表面損傷引起每年近1.75%的轉(zhuǎn)子報(bào)廢率，產(chǎn)生檢修成本超過30萬元。此外，外錐軸表面難以去除的痕跡時(shí)常引起客戶投訴甚至經(jīng)濟(jì)處罰，嚴(yán)重影響企業(yè)質(zhì)量形象。基于上述原因，為某型電力機(jī)車牽引電機(jī)研究一種無損退小齒輪工藝顯得尤為重要。

2 外錐軸損傷問題分析

某型電力機(jī)車牽引電機(jī)小齒輪退出工藝為：轉(zhuǎn)軸端面安裝注油嘴和退出工裝，其中注油嘴與液壓泵聯(lián)接，逐漸增加液壓泵壓力，利用徑向壓力將小齒輪漲開后從電機(jī)轉(zhuǎn)軸錐面退出。牽引電機(jī)從驅(qū)動(dòng)分離后退出小齒輪，轉(zhuǎn)軸錐面安裝防護(hù)套后送至檢修現(xiàn)場(見圖1)。結(jié)合工藝流程梳理和工藝寫實(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)外錐軸表面損傷的主要原因有以下幾種。

圖1 某型電力機(jī)車牽引電機(jī)退小齒輪示意圖(優(yōu)化前)

2.1 徑向損傷

被漲開的小齒輪由于注油孔內(nèi)雜質(zhì)或轉(zhuǎn)軸表面異物導(dǎo)致軸向阻力增大，彈出后產(chǎn)生了較大的沖擊力，與退出工裝的碰撞觸發(fā)了一個(gè)反向的作用力，導(dǎo)致小齒輪與轉(zhuǎn)軸外錐面撞擊，形成徑向損傷，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)軸外錐面典型徑向損傷

2.2 軸向損傷

個(gè)別操作人員在作業(yè)過程中，快速加壓徑向泵，短時(shí)間內(nèi)漲開小齒輪將其退出。由于加壓時(shí)間短，小齒輪局部位置未完全漲開，軸錐表面沒有被潤滑油膜所覆蓋，導(dǎo)致小齒輪退出時(shí)與轉(zhuǎn)軸形成干摩擦，由于小齒輪的硬度大于轉(zhuǎn)軸硬度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸表面被撕裂從而形成軸向的拉傷，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)軸外錐面典型軸向損傷

3 外錐軸無損退小齒輪工藝的研究與應(yīng)用

3.1 方案借鑒

某和諧型電力機(jī)車牽引電機(jī)退小齒輪工藝(見圖4)已較為成熟，在實(shí)際運(yùn)用過程中未出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸錐面損傷問題。某型電力機(jī)車牽引電機(jī)與之相比，同樣為圓錐過盈聯(lián)接件，且使用油壓拆卸。因此在借鑒某和諧型電力機(jī)車牽引電機(jī)小齒輪退出工藝的方案基礎(chǔ)上，增加軸向壓力，優(yōu)化退出工裝，初步設(shè)計(jì)某型電力機(jī)車牽引電機(jī)外錐軸無損退小齒輪工藝。

圖4 某和諧型電力機(jī)車牽引電機(jī)退小齒輪示意圖

3.2 光滑圓錐面利用油壓拆裝的計(jì)算

根據(jù)《圓錐過盈配合的計(jì)算和選用》(GB/T 15755-1995)和《極限與配合過盈配合的計(jì)算和選用》(GB/T 5371-2004)，計(jì)算某型電力機(jī)車牽引電機(jī)小齒輪在退出時(shí)的徑向壓力值和軸向壓力值。

徑向壓力值的計(jì)算公式：

Px=1.1[Pfmax]

(1)

其中，Pfmax為配合的最大結(jié)合壓力：

(2)

軸向壓力值的計(jì)算公式：

(3)

其中，F(xiàn)xe為壓出力：

(4)

設(shè)小齒輪為包容件(a)，轉(zhuǎn)軸為被包容件(i)，經(jīng)過計(jì)算得出，徑向壓力值Px=121.286 MPa，軸向壓力值P=7.94 MPa，壓出力Fxe=36.993 kN。

3.3 工裝設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

經(jīng)過與某和諧型電力機(jī)車牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)對比，某型電力機(jī)車牽引電機(jī)退小齒輪需重新設(shè)計(jì)U型工裝和拉桿，結(jié)合前面壓出力的計(jì)算和拉桿的工藝參數(shù)，對拉桿在使用過程中的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核。

拉桿材質(zhì)：30CrNiMo8；抗拉強(qiáng)度σb≥900 MPa。

故拉桿在小齒輪退出過程中可以滿足安全和工藝要求。

3.4 外錐軸無損退小齒輪工藝的建立

根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，確定徑向泵最大壓力值為122 MPa，軸向泵最大壓力值為8 MPa；查詢中空千斤頂使用手冊，可以承受120 t壓力，滿足安全和工藝要求；小齒輪壓入深度為3.5～3.8 mm，借鑒和諧型電力機(jī)車牽引電機(jī)的設(shè)置，某型電力機(jī)車牽引電機(jī)退小齒輪時(shí)螺母與空心千斤頂之間留8～10 mm間隙。基于上述確定的參數(shù)，最終形成某型電力機(jī)車牽引電機(jī)外錐軸無損退小齒輪工藝，如圖5所示。

圖5 某型電力機(jī)車牽引電機(jī)外錐軸無損退小齒輪工藝

3.5 外錐軸無損退小齒輪工藝驗(yàn)證與分析

根據(jù)現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果可知(見圖6和表2)，在使用新的退出工藝方案后可以全部順利退出小齒輪，目視檢查轉(zhuǎn)軸外錐面無損傷痕跡，接觸率檢測全部在合格范圍內(nèi)。對于小齒輪退出的瞬時(shí)最大壓力，原有工藝的徑向壓力值明顯大于新工藝的徑向壓力值，主要原因在于新工藝的潤滑油已充分覆蓋轉(zhuǎn)軸錐面，表面潤滑膜有效降低了小齒輪退出時(shí)的阻力。

圖6 某型電力機(jī)車牽引電機(jī)外錐軸退小齒輪優(yōu)化前后對比驗(yàn)證

表2 外錐軸無損退小齒輪工藝驗(yàn)證

4 結(jié)語

自2022年1月份使用修訂后的無損退小齒輪工藝，截至2022年3月總共完成217臺(tái)某型電力機(jī)車牽引電機(jī)小齒輪拆卸，轉(zhuǎn)子外錐軸表面損傷為0，較2020年5.56%的損傷率有顯著的改善。結(jié)合上述工藝驗(yàn)證和現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果來看，修訂完善后的某型電力機(jī)車牽引電機(jī)退小齒輪工藝可以實(shí)現(xiàn)小齒輪退出的效果，且小齒輪退出過程中未對轉(zhuǎn)軸外錐面產(chǎn)生損傷，能夠達(dá)到無損傷的目標(biāo)。某型電力機(jī)車牽引電機(jī)外錐軸無損退小齒輪工藝不僅有利于產(chǎn)品表面質(zhì)量的提升，還能節(jié)省可觀的檢修成本。此外，外錐軸無損退小齒輪工藝標(biāo)準(zhǔn)的建立，可推廣至高原動(dòng)力集中型動(dòng)車組牽引電機(jī)的分解檢修。