磁浮列車車鉤橡膠軸承失效分析及拆裝工藝

陳曉艷 王耀文

(1.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司,200232,上海;2.上海磁浮交通發(fā)展有限公司,201204,上海∥第一作者,工程師)

上海磁浮示范運(yùn)營線的列車車鉤位于車廂與車廂之間,是由凹凸型耦合件、橡膠軸承和軸銷等組成(見圖1)。磁浮列車的兩車廂連接屬于剛性連接。

自2002年上海磁浮列車運(yùn)營以來,在日常的維護(hù)工作中發(fā)現(xiàn)有7處車鉤橡膠軸承爆裂,損壞比例占到58.33%。橡膠軸承的橡膠部分爆裂長度約為35～50 mm,如圖2所示。橡膠軸承的失效會(huì)對(duì)列車的平穩(wěn)運(yùn)行帶來安全隱患,因此必須及時(shí)地進(jìn)行失效分析并排除故障。

圖1 磁浮列車車鉤

圖2 橡膠軸承的橡膠爆裂實(shí)景

1 車鉤橡膠軸承失效分析

1.1 車鉤橡膠軸承的工作年限分析

使用4年的車鉤橡膠軸承,產(chǎn)生了如圖2所示的老化爆裂現(xiàn)象。但從橡膠軸承的材料性能來說,這種情況是不應(yīng)該這么快就產(chǎn)生的。

1.2 車鉤橡膠軸承的載荷過程分析

1.2.1 靜態(tài)載荷分析

列車在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),兩車廂高度閥所控制的相關(guān)空氣彈簧內(nèi)部氣壓相等,兩相鄰空載車廂應(yīng)該是等高的,車鉤橡膠軸承不承受豎向(即Z向)載荷。

在進(jìn)行空氣彈簧控制單元維護(hù)測試時(shí),因測試規(guī)范中沒有說明需要對(duì)多少個(gè)高度閥進(jìn)行充氣抬高(即沒有具體說明相關(guān)高度閥控制下有多少個(gè)空氣彈簧內(nèi)的氣壓需要達(dá)到0.80～0.95 MPa),故容易造成某車廂已被抬高,但相鄰車廂未被抬高的現(xiàn)象,從而造成在實(shí)施該維護(hù)測試工作中車鉤橡膠軸承承受很大的豎向載荷。這是車鉤橡膠軸承失效的原因之一。

1.2.2 動(dòng)態(tài)載荷分析

磁浮列車每一節(jié)車廂都是動(dòng)車,其車鉤橡膠軸承也不存在縱向載荷。在磁浮列車轉(zhuǎn)彎和相鄰車廂負(fù)載不均勻的情況下,車鉤橡膠軸承會(huì)承受車廂負(fù)載差所引起的載荷。這是橡膠軸承失效的原因之二。

1.3 失效時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)分析

從車鉤橡膠軸承開裂的實(shí)況來看,其開裂位置位于Z向,從中得知橡膠軸承是受到Z向應(yīng)力的作用。另外,拆卸車鉤軸銷時(shí)需50 t液壓千斤頂方能作業(yè)。分解車鉤后可知,相鄰兩車廂存在明顯的高度差,高度差在50～80 mm之間。這就進(jìn)一步說明,相鄰兩車廂的負(fù)載差完全由橡膠軸承承擔(dān)。由文獻(xiàn)[6]可知,車鉤橡膠軸承承受的壓力達(dá)28×104N。

磁浮列車的每節(jié)車廂左右側(cè)各有8個(gè)空氣彈簧支撐?？諝鈴椈衫锩娴慕橘|(zhì)是壓縮空氣,由高度閥控制。高度閥是一個(gè)5位3通節(jié)流閥,如圖3所示。它通過調(diào)節(jié)空氣流量來達(dá)到控制空氣彈簧里面的氣壓,從而實(shí)現(xiàn)車體高度的調(diào)節(jié)。

磁浮列車相鄰2個(gè)車廂的2個(gè)高度閥的充氣口是相通的。也就是說,1個(gè)高度閥既控制著該車廂左右各4個(gè)空氣彈簧,還控制著相鄰車廂左右各4個(gè)空氣彈簧。2個(gè)高度閥是互相冗余的,即:在列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí),當(dāng)甲車廂負(fù)載增加,甲車廂處于充氣位置的高度閥對(duì)該甲車廂空氣彈簧進(jìn)行充氣抬高;而相鄰乙車廂沒有負(fù)載增加,但由于冗余關(guān)系,勢必也會(huì)對(duì)乙車廂空氣彈簧進(jìn)行充氣以抬高車體,而此時(shí)乙車廂的高度閥處于放氣位置,并對(duì)乙車廂空氣彈簧進(jìn)行放氣以降低車體。此時(shí),車鉤橡膠軸承就承受Z向載荷。

圖3 5位3通節(jié)流閥

1.4 材料性能分析

從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得知,磁浮列車車鉤橡膠軸承所采用的氟橡膠具有抗撕裂、耐撓曲和耐沖擊的優(yōu)越性能,能耐高溫、耐油以及耐特種介質(zhì)場合,有較好的力學(xué)性能、壓縮性能和抗低溫性能。但氟橡膠長期在高載荷環(huán)境下工作,也會(huì)造成橡膠老化變脆,當(dāng)達(dá)到橡膠受壓極限時(shí)就會(huì)爆裂。當(dāng)磁浮列車兩相鄰車廂長期處于不等高的狀態(tài),會(huì)造成車鉤橡膠軸承應(yīng)力過載,從而造成了車鉤橡膠軸承失效。這就是造成橡膠軸承失效的主要原因。

2 車鉤軸承軸銷的拆裝工藝

車鉤的凹凸型耦合件是鍛造鋁合金材料。車鉤凸型耦合件的軸承孔直徑是φ 110 mm H7,軸承的外經(jīng)是φ 110 mmX6,過盈量最大為0.232 mm、最小為0.175 mm,屬于較大過盈配合。所以,橡膠軸承的裝配是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

針對(duì)目前磁浮列車車鉤橡膠軸承失效爆裂的情況,對(duì)此進(jìn)行分析并合理設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)度足夠的工藝裝備來快速完成軸銷的拆卸任務(wù)是件重要的工作。

2.1 軸銷拆卸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)車鉤結(jié)構(gòu)及拆裝的分析,現(xiàn)設(shè)計(jì)車鉤軸銷的拆卸裝置如圖4所示。

1)根據(jù)現(xiàn)場維護(hù)經(jīng)驗(yàn)及前述應(yīng)力狀態(tài)分析,選定輔助設(shè)備為50 t液壓千斤頂。

2)50 t液壓千斤頂使圖4所示的4根螺桿受到500 kN的拉伸力。按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》規(guī)定,需通過等截面直桿中心拉伸強(qiáng)度計(jì)算來選定螺桿。最后確定螺桿采用φ 30 mm的45號(hào)中碳鋼,桿長540 mm,進(jìn)行淬火并回火(回火溫度450℃～490℃)。

圖4 車鉤軸銷的拆卸裝置

3)螺母采用M30標(biāo)準(zhǔn)件,等級(jí)為6.1型,容許載荷為403.9 kN。

4)50 t的液壓千斤頂作用在底座中心的集中載荷P為500 kN。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的矩形平板彎曲公式計(jì)算選定底座。最后確定底座為Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼,尺寸為250 mm×180 mm×20 mm。

2.2 車鉤橡膠軸承裝配工藝

車鉤凸型耦合件內(nèi)徑與車鉤橡膠軸承的配合是過盈配合。車鉤凸型耦合件是鍛造鋁合金材料AlMgSi(牌號(hào)6061 T6),采用溫差法(熱脹和冷卻法)裝配。車鉤橡膠軸承的裝配工藝如表 1所示。

表1 車鉤橡膠軸承裝配工藝

3 結(jié)語

1)采用溫差法裝配工藝的連接強(qiáng)度要比采用壓入法的高1倍左右。

2)采用溫差法裝配工藝防止了對(duì)包容件的損壞。

3)應(yīng)修改車體水平高度調(diào)節(jié)規(guī)程,減小車鉤橡膠軸承因受豎向載荷而受損的危險(xiǎn),以延長橡膠軸承的使用壽命,從而降低磁浮列車的維修成本。

4)車鉤軸銷的拆卸裝置采用組合夾具設(shè)計(jì),其制作成本低且組裝方便,并可在其它拆卸工作場合下使用。

[1] 楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 陸明炯.實(shí)用機(jī)械工程材料手冊[M].沈陽:遼寧技術(shù)科技出版社,2004.

[3] 樊東黎,徐躍明,佟曉輝.熱處理工程師手冊[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4] 劉靜安,謝水生.鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[5] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊軟件版R2.0[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

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