動車組齒輪箱密封蓋變形分析與優(yōu)化

王鵬川,郭其超,金思勤,宮 峰,蔣二夢

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

基金項目：國鐵集團科技研究開發(fā)計劃項目(K2021J045)。

近年來,隨著大批量的動車組陸續(xù)進入檢修周期,檢修市場逐步擴大,為提高企業(yè)競爭力,檢修成本的控制越來越受到重點關注,其中減少偶換件的更換率是降低檢修成本的重要手段。某動車組齒輪箱大端車輪側的密封蓋作為偶換件因檢修拆解受力易產生嚴重變形而報廢,增加了檢修成本,由于齒輪箱進入檢修周期的時間較短,很多檢修相關的問題處于邊發(fā)現邊解決的階段,該方面的研究相對較少,因此本文針對該問題開展了對比試驗以確認密封蓋的變形程度,說明了密封蓋發(fā)生變形后繼續(xù)使用帶來的相關風險,對變形的原因進行了理論計算和仿真分析,并以此提出了相應的結構優(yōu)化方案,從理論計算、仿真分析和對比試驗3個方面確認了優(yōu)化方案的可行性。

1 變形確認與影響分析

1.1 變形過程

齒輪箱車輪側擋水環(huán)和密封蓋的位置如圖1所示,擋水環(huán)和車軸之間為過盈連接。分解檢修時需將齒輪箱吊至車架上,首先拆除密封蓋上的連接螺栓M12×35,然后交替擰緊密封蓋上的4個對稱布置的頂出螺栓M12×50,保證各頂出螺栓均勻受力,避免拉傷車軸,通過密封蓋將擋水環(huán)緩慢頂出,如圖2所示。在拆解過程中,密封蓋的頂出孔部位承受4個頂出螺栓的壓力,右側端面與擋水環(huán)接觸部位承受擋水環(huán)脫離車軸帶來的壓力,拆解時發(fā)現密封蓋異常變形。

圖1 車輪側結構 圖2 拆解過程

1.2 試驗確認

為了進一步確認密封蓋變形的程度,選取新的密封蓋和擋水環(huán)組裝到齒輪箱上,測量組裝前和拆解后密封蓋的3個平面度進行對比,測量位置和三坐標測量如圖3、圖4所示,測量結果如表1所示。從表1可以得出,測量位置1的平面度增大507.1%,測量位置2的平面度增大93.4%,測量位置3的平面度增大185.9%,增大幅度較高,且測量位置1和3拆解后的平面度不符合要求值,密封蓋發(fā)生異常變形。

表1 密封蓋平面度測量結果

圖3 平面度測量位置 圖4 三坐標測量

1.3 影響分析

迷宮密封作為一種經典的密封方式被廣泛應用在工業(yè)齒輪箱、軌道交通齒輪箱和風電齒輪箱等傳動設備上。齒輪箱的密封蓋與密封圈、擋水環(huán)之間通過若干密封直齒或錐齒相互交叉排列在旋轉軸的周圍,形成若干膨脹空腔及截流間隙,被密封的流體或氣體通過這些空腔與間隙的時候產生節(jié)流效應,從而達到阻止泄漏、實現密封的目的[1],密封蓋發(fā)生過大變形后,會導致迷宮密封的間隙不符合設計要求,存在潤滑油滲出的風險,影響齒輪箱的使用性能,甚至出現組裝干涉的現象。此外,密封蓋發(fā)生變形后,由于內部變形不均勻,位錯、空位等晶體缺陷增多,內部產生殘余應力,通常殘余內應力會影響材料的疲勞強度、抗應力腐蝕能力和形狀尺寸的穩(wěn)定性等,直接影響材料的使用壽命和安全性,嚴重時可導致零件局部塑性變形失效,存在零件開裂的風險[2]。因此,密封蓋發(fā)生過大異常變形后,必須進行更換,增加了檢修成本。

2 變形原因分析

2.1 受力計算

運用圓柱面過盈連接的設計準則對車軸和擋水環(huán)的頂出力進行分析計算[3],其中擋水環(huán)為包容件,車軸為被包容件,對包容件和被包容件的模型做等效簡化,包容件與被包容件間的過盈量取最大值進行計算,各項設計參數如表2所示。

表2 擋水環(huán)與車軸過盈配合參數

相關有效超量

(1)

輔助系數

(2)

實際最大結合壓力

(3)

擋水環(huán)需要的最大頂出力

F=π·DF·LF·v·pmax=40.62 kN

(4)

2.2 仿真分析

密封蓋的三維模型在Pro/E中建立,為了保證結果的準確性,所有幾何特征均予以保留,對幾何模型進行網格劃分,最小單元1 mm,最大單元10 mm,有限元模型中共包含單元429 358個,節(jié)點241 014個。在密封蓋與擋水環(huán)的作用線上施加拔出力,在4個頂出螺栓的位置施加約束,進行有限元分析,計算頂出力為40.62 kN時密封蓋的應力及變形情況,計算所得密封蓋的應力云圖和變形云圖如圖5、圖6所示。結果表明最大應力值為746.2 MPa,已遠遠超出材料的屈服應力355.0 MPa,密封蓋發(fā)生塑性變形失效,最大位移值達到0.267 mm,密封蓋局部結構發(fā)生翹曲變形。

圖5 密封蓋優(yōu)化前應力云圖

圖6 密封蓋優(yōu)化前變形云圖

從仿真結果可以看出,螺栓頂出端面受力過大,導致密封蓋與擋水環(huán)的作用面上的應力遠遠超過屈服極限,導致密封蓋發(fā)生異常變形。影響頂出力的參數如表2所示,與車軸有關的參數DI、DF、RZI由客戶確定,不宜變動;彈性模量、泊松比、沿縱向打滑耦合系數是材質的固有屬性,目前的材質具有成熟運用經驗,不建議更改;擋水環(huán)的粗糙度RZA與車軸相同,機加工要求較高,不宜再減小;擋水環(huán)是自制件,對其進行結構優(yōu)化,簡單高效,因此擋水環(huán)的等效外徑DA和結合長度LF是可以優(yōu)化的參數。

3 優(yōu)化方案

結合受力分析及仿真計算結果對密封蓋和擋水環(huán)進行結構優(yōu)化。對于密封蓋,在薄弱位置增加厚度,以提高其結構強度,并針對擋水環(huán)的結構優(yōu)化做適應性地調整;對于擋水環(huán),在保證不會與車軸脫離的前提下,減小等效外徑DA和結合長度LF,以減小擋水環(huán)所需的頂出力。優(yōu)化后擋水環(huán)有效外徑DA為220.75 mm,結合長度LF為14 mm,其他參數與表2相同。擋水環(huán)和車軸發(fā)生分離時的圓周速度

擋水環(huán)在最大運營時速下的圓周速度u=25.25 m/s

圖7 密封蓋優(yōu)化后應力云圖

圖8 密封蓋優(yōu)化后變形云圖

使用優(yōu)化后的密封蓋和擋水環(huán)組裝到齒輪箱上,通過密封蓋頂出擋水環(huán),測量密封蓋拆解前后的平面度進行對比,測量數據如表3所示。從表3可以得出,測量位置1的平面度減小3.1%,測量位置2的平面度增大5.3%,測量位置3的平面度減小2.4%,平面度變化很小,考慮到測量誤差,可認為密封蓋沒有發(fā)生變形,3個部位的平面度測量值基本無變化,且3個測量位置的平面度都符合要求值。試驗結果與仿真分析結果一致,密封蓋和擋水環(huán)的結構優(yōu)化解決了密封蓋異常變形的問題,密封蓋在頂出擋水環(huán)后可繼續(xù)使用,避免了密封蓋的報廢,降低了檢修成本。

表3 結構優(yōu)化后平面度測量結果

4 結論

(1)齒輪箱檢修時通過密封蓋頂出擋水環(huán),拆解時密封蓋易發(fā)生異常變形,試驗確認位置1和3的平面度超出限值,若繼續(xù)使用,存在組裝干涉、潤滑油滲出和零件開裂的風險,因此需要報廢處理,增加檢修成本。

(2)對原結構密封蓋、擋水環(huán)進行受力計算和仿真分析,結果表明密封蓋承受的頂出力過大,最大應力值遠遠超出材料的屈服極限,導致局部應變過大,易引起密封蓋異常變形。

(3)優(yōu)化密封蓋和擋水環(huán)結構,薄弱位置增加厚度,減小等效外徑和結合長度,計算結果表明密封蓋承受的頂出力顯著減小,仿真分析和試驗結果均表明優(yōu)化后密封蓋異常變形情況得到了有效控制,避免密封蓋的報廢,可以有效降低檢修成本。