低地板有軌電車用橡膠聯(lián)軸器連接盤疲勞失效與優(yōu)化研究

關(guān)云輝,魏世晨,陳瑞興,宮 峰,劉 瑩

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所股份有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

橡膠聯(lián)軸器在低地板有軌電車應(yīng)用較為廣泛,橡膠聯(lián)軸器安裝在齒輪箱與車軸之間,不僅補(bǔ)償構(gòu)架與車軸的相對(duì)位移,同時(shí)將齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳遞至車軸,從而驅(qū)動(dòng)輪對(duì)前進(jìn)。橡膠聯(lián)軸器主要可分為兩大類:一類為整體橡膠環(huán)聯(lián)軸器,另一類為分體楔形橡膠塊聯(lián)軸器。根據(jù)橡膠聯(lián)軸器應(yīng)用情況,橡膠聯(lián)軸器故障多數(shù)為橡膠故障,包括橡膠開裂、脫膠、老化等[1]。某型橡膠聯(lián)軸器在線路運(yùn)營(yíng)中發(fā)生金屬連接盤沿工藝孔斷裂故障,為分析失效原因,本文通過(guò)斷口形貌理化分析,有限元仿真計(jì)算,靜強(qiáng)度應(yīng)力對(duì)比等方法對(duì)該故障深度分析,并提出解決方案。

1 橡膠聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)功能簡(jiǎn)介

低地板有軌電車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)和齒輪箱組成,電機(jī)與齒輪箱剛性連接,有軌電車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由3個(gè)環(huán)形節(jié)點(diǎn)(齒輪箱側(cè)1個(gè),電機(jī)側(cè)2個(gè))架懸組裝在構(gòu)架上;橡膠聯(lián)軸器安裝在齒輪箱與車軸之間,傳遞電機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,從而驅(qū)動(dòng)輪對(duì)前進(jìn)[2],同時(shí)補(bǔ)償齒輪箱與車軸的相對(duì)位移。

橡膠聯(lián)軸器由車輪側(cè)半聯(lián)軸器和齒輪箱側(cè)半聯(lián)軸器兩部分組成,如圖1所示。車輪連接盤卡爪、中間軸卡爪交錯(cuò)與橡膠環(huán)配合安裝,通過(guò)緊固件組成車軸側(cè)半聯(lián)軸器。外連接盤卡爪、齒輪箱連接盤卡爪交錯(cuò)與橡膠環(huán)配合安裝,通過(guò)緊固件組成齒輪箱側(cè)半聯(lián)軸器。其中,車輪連接盤與車軸剛性連接,齒輪箱連接盤與齒輪箱輸出軸剛性連接。橡膠聯(lián)軸器工作時(shí),橡膠環(huán)發(fā)生偏轉(zhuǎn),以補(bǔ)償車軸與齒輪箱輸出軸相對(duì)位移。

1—車輪側(cè)半聯(lián)軸器;2—齒輪箱側(cè)半聯(lián)軸器;3—外連接盤;4—齒輪箱連接盤;5—橡膠環(huán);6—橡膠環(huán);7—中間軸;8—車輪連接盤。

橡膠聯(lián)軸器在有軌電車運(yùn)用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)外連接盤沿工藝孔斷裂,故障形式如圖2所示。為分析外連接盤斷裂失效原因,對(duì)其斷口形貌進(jìn)行理化分析,同時(shí)利用有限元軟件校核計(jì)算外連接盤強(qiáng)度。

圖2 外連接盤斷裂形式

2 外連接盤失效分析

2.1 斷口形貌分析

外連接盤失效斷口形貌如圖3所示,斷口符合低周高應(yīng)力疲勞斷裂特征,裂紋源起始于工藝通孔加強(qiáng)筋側(cè)孔口內(nèi)壁過(guò)渡倒角的較大毛刺缺陷處。造成疲勞斷裂的主要因素有2點(diǎn):一是工藝通孔加強(qiáng)筋側(cè)孔口處有尖角,存在應(yīng)力集中;二是在加強(qiáng)筋側(cè)孔口遺留了較大尺寸毛刺,使得該處應(yīng)力集中系數(shù)顯著增加。外連接盤在服役過(guò)程中,裂紋源沿尖角、毛刺發(fā)生開裂,經(jīng)過(guò)延伸擴(kuò)展,直至外連接盤斷裂。

圖3 外連接盤斷口形貌

2.2 強(qiáng)度校核

由于橡膠聯(lián)軸器是由橡膠環(huán)和4個(gè)連接盤組成的彈性體,橡膠聯(lián)軸器在工作時(shí),橡膠環(huán)變形是非線性的,橡膠分析模型采用Mooney-Rivlin模型[3-4]。橡膠應(yīng)變能密度W函數(shù)表示為:

(1)

式中:C10、C01均為力學(xué)性能常數(shù);I1、I2均為應(yīng)變不變量;J為彈性體積比;D1為定義材料的壓縮性。

2.2.1有限元建模

由于橡膠聯(lián)軸器各部分關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),為準(zhǔn)確計(jì)算分析外連接盤強(qiáng)度,將橡膠聯(lián)軸器系統(tǒng)在有限元軟件中建模。利用有限元軟件對(duì)橡膠聯(lián)軸器系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,橡膠聯(lián)軸器計(jì)算模型采用四面體與六面體混合網(wǎng)格劃分,計(jì)算模型如圖4所示。其中,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為145 680,單元總數(shù)為285 430。

圖4 橡膠聯(lián)軸器計(jì)算模型

2.2.2材料屬性及邊界條件

橡膠聯(lián)軸器主要包括4個(gè)連接盤和2個(gè)橡膠環(huán)。連接盤材料均為42CrMo4:密度為7.8×103kg/m3,楊氏模量為210 GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度不小于900 MPa。由鋁塊和橡膠塊整體硫化得到橡膠環(huán),其中鋁塊采用7075鋁合金:密度為2.81×103kg/m3,楊氏模量為71 GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度不小于190 MPa。橡膠材料參數(shù)如下:C10=0.738 5,C01=0.410 3,D1=0。

邊界條件:約束空心軸軸承裝配面除繞軸旋轉(zhuǎn)外所有自由度,約束齒輪嚙合位置繞軸旋轉(zhuǎn)自由度,在車軸連接盤安裝面上分別施加扭矩、徑向位移以及軸向位移,如圖5所示。

圖5 橡膠聯(lián)軸器計(jì)算邊界條件及載荷

2.2.3橡膠聯(lián)軸器計(jì)算結(jié)果

利用有限元軟件,計(jì)算橡膠聯(lián)軸器在徑向位移為10.8 mm,扭矩為6 283 N·m(對(duì)應(yīng)輸入端扭矩為1 042 N·m),軸向位移為5 mm三種載荷不同組合工況下受力情況,組合計(jì)算工況如表1所示。

表1 橡膠聯(lián)軸器組合計(jì)算結(jié)果

2.2.4外連接盤應(yīng)力分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算,得到在各個(gè)工況下外連接盤受力情況,在工況8外連接盤應(yīng)力最大,最大應(yīng)力為689.6 MPa,外連接盤最大應(yīng)力位置在其工藝孔口處,外連接盤在該組合下應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 外連接盤工況8應(yīng)力云圖

結(jié)合FKM—2012《Analytical strength assessment of components in mechanical Engineering》規(guī)范,材料循環(huán)利用度為:

(2)

式中:σa,1為最高應(yīng)力幅;σBK為相關(guān)構(gòu)件的變幅疲勞強(qiáng)度;jD為總安全因子。

根據(jù)外連接盤在不同工況下的應(yīng)力結(jié)果,同時(shí)考慮外連接盤結(jié)構(gòu)尺寸及表面粗糙度的影響,總安全因子jD取1.25,利用FKM規(guī)范完成外連接盤的疲勞強(qiáng)度評(píng)估,經(jīng)過(guò)評(píng)估計(jì)算,橡膠聯(lián)軸器外連接盤工藝孔口部位材料疲勞強(qiáng)度利用率為1.80,大于1,外連接盤工藝孔口疲勞強(qiáng)度不滿足應(yīng)用要求;同時(shí)發(fā)現(xiàn)外連接盤工藝孔口加強(qiáng)筋部位有應(yīng)力集中,應(yīng)力集中部位與外連接盤斷裂部位吻合,如圖7所示。

圖7 外連接盤材料疲勞強(qiáng)度利用率云圖

綜合分析,橡膠聯(lián)軸器外連接盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,在工藝孔口處存在應(yīng)力集中,并且外連接盤工藝孔口材料疲勞強(qiáng)度最大利用率大于1,橡膠聯(lián)軸器外連接盤疲勞強(qiáng)度不滿足該有軌電車運(yùn)行要求,因此外連接盤在工藝孔口發(fā)生斷裂失效。

3 外連接盤優(yōu)化技術(shù)方案

3.1 外連接盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)外連接盤失效原因,從以下幾個(gè)方面對(duì)外連接盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以消除應(yīng)力集中。

1)填平工藝孔周邊的臺(tái)階結(jié)構(gòu),去除小的臺(tái)階結(jié)構(gòu)。

2)銳棱圓角處理。

3)將工藝通孔的加工及倒角要求在圖紙上明確說(shuō)明并作為嚴(yán)控的工藝項(xiàng)點(diǎn)。

外連接盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比如圖8所示。

圖8 外連接盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比圖

3.2 優(yōu)化外連接盤強(qiáng)度校核

利用有限元軟件,按照2.2章節(jié)計(jì)算過(guò)程,校核計(jì)算優(yōu)化后外連接盤疲勞強(qiáng)度。優(yōu)化后外連接盤組合計(jì)算工況如表2所示。

表2 優(yōu)化后橡膠聯(lián)軸器組合計(jì)算結(jié)果

對(duì)比外連接盤優(yōu)化前后的疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在各個(gè)計(jì)算工況下,優(yōu)化后外連接盤最大應(yīng)力較優(yōu)化前外連接盤最大應(yīng)力大幅降低。優(yōu)化后外連接盤在組合工況8下,最大應(yīng)力為353.0 MPa,最大應(yīng)力較優(yōu)化前降低了48.8%。優(yōu)化后外連接盤該組合工況下應(yīng)力云圖如圖9所示。由云圖發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后外連接盤沒(méi)有原始外連接盤工藝孔口應(yīng)力集中的缺陷。

圖9 優(yōu)化后外連接盤工況8應(yīng)力云圖

根據(jù)優(yōu)化后外連接盤在不同工況下的應(yīng)力結(jié)果,結(jié)合FKM規(guī)范計(jì)算得到外連接盤材料疲勞強(qiáng)度利用率云圖,如圖10所示。由計(jì)算結(jié)果可知,外連接盤材料疲勞強(qiáng)度最大利用率為0.92,小于1,同時(shí)優(yōu)化后外連接盤沒(méi)有原始外連接盤工藝孔口應(yīng)力集中的缺陷。通過(guò)計(jì)算分析,外連接盤通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以解決原始外連接盤沿工藝孔口斷裂故障。

圖10 外連接盤材料疲勞強(qiáng)度利用率云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的外連接盤不存在應(yīng)力集中,且外連接盤疲勞強(qiáng)度滿足橡膠聯(lián)軸器應(yīng)用要求,開展了外連接盤旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)和裝車考核試驗(yàn)。

4.1 外連接盤旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化外連接盤疲勞性能,對(duì)其進(jìn)行1 000萬(wàn)次旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)臺(tái)見圖11,將裝有橡膠聯(lián)軸器的試驗(yàn)齒輪箱通過(guò)試驗(yàn)工裝分別與驅(qū)動(dòng)電機(jī)及負(fù)載電機(jī)相連接,通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩,實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠聯(lián)軸器的加載試驗(yàn)[5]。

圖11 旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)臺(tái)

外連接盤經(jīng)過(guò)1 000萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,對(duì)其進(jìn)行磁粉探傷,如圖12所示。優(yōu)化外連接盤疲勞試驗(yàn)后外表面及工藝孔口未發(fā)現(xiàn)磁痕積聚現(xiàn)象,無(wú)裂紋缺陷,質(zhì)量合格。

圖12 優(yōu)化外連接盤磁粉探傷

4.2 外連接盤裝車考核試驗(yàn)

優(yōu)化外連接盤應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)合格后,對(duì)4個(gè)優(yōu)化后外連接盤樣品進(jìn)行裝車考核試驗(yàn)。裝車試驗(yàn)分3個(gè)階段:廠內(nèi)50 km空載調(diào)試試驗(yàn),AW3重載工況正線線路100 km運(yùn)行試驗(yàn)和線路載客運(yùn)行10萬(wàn)km試驗(yàn)。優(yōu)化外連接盤經(jīng)過(guò)廠內(nèi)空載調(diào)試和正線線路重載試驗(yàn)后,檢查橡膠聯(lián)軸器整體運(yùn)行狀態(tài)良好,緊固螺栓防松標(biāo)記完好,外連接盤外觀表面狀態(tài)良好。

優(yōu)化外連接盤通過(guò)重載試驗(yàn)后,進(jìn)行線路運(yùn)營(yíng)考核,線路運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)10萬(wàn)km,橡膠聯(lián)軸器整體運(yùn)行狀態(tài)良好,外連接盤未發(fā)生斷裂故障。橡膠聯(lián)軸器運(yùn)營(yíng)考核后狀態(tài)如圖13所示。

圖13 運(yùn)營(yíng)考核后橡膠聯(lián)軸器狀態(tài)

5 總結(jié)

針對(duì)橡膠聯(lián)軸器原始外連接盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、外連接盤在工藝孔口存在應(yīng)力集中、其疲勞強(qiáng)度較低等問(wèn)題導(dǎo)致的斷裂失效故障,對(duì)外連接盤結(jié)構(gòu)

進(jìn)行優(yōu)化,去除應(yīng)力集中結(jié)構(gòu),銳棱圓角處理,對(duì)工藝孔口倒角進(jìn)行處理;并對(duì)優(yōu)化的外連接盤進(jìn)行強(qiáng)度校核,疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)優(yōu)化外連接盤樣件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)和裝車考核試驗(yàn)驗(yàn)證,外連接盤沿工藝孔口無(wú)裂紋,橡膠聯(lián)軸器整體狀態(tài)良好。

綜上所述,通過(guò)優(yōu)化外連接盤結(jié)構(gòu)從根源上解決了外連接盤沿工藝孔斷裂故障,優(yōu)化后的外連接盤滿足有軌電車車輛應(yīng)用要求。同時(shí)該故障的解決,對(duì)后續(xù)連接盤的設(shè)計(jì)和應(yīng)用均有十分重要的參考價(jià)值。