低地板有軌電車用橡膠聯軸器連接盤疲勞失效與優化研究

關云輝,魏世晨,陳瑞興,宮 峰,劉 瑩

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所股份有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

橡膠聯軸器在低地板有軌電車應用較為廣泛,橡膠聯軸器安裝在齒輪箱與車軸之間,不僅補償構架與車軸的相對位移,同時將齒輪箱輸出的轉矩、轉速傳遞至車軸,從而驅動輪對前進。橡膠聯軸器主要可分為兩大類:一類為整體橡膠環聯軸器,另一類為分體楔形橡膠塊聯軸器。根據橡膠聯軸器應用情況,橡膠聯軸器故障多數為橡膠故障,包括橡膠開裂、脫膠、老化等[1]。某型橡膠聯軸器在線路運營中發生金屬連接盤沿工藝孔斷裂故障,為分析失效原因,本文通過斷口形貌理化分析,有限元仿真計算,靜強度應力對比等方法對該故障深度分析,并提出解決方案。

1 橡膠聯軸器結構功能簡介

低地板有軌電車驅動系統由電機和齒輪箱組成,電機與齒輪箱剛性連接,有軌電車驅動系統由3個環形節點(齒輪箱側1個,電機側2個)架懸組裝在構架上;橡膠聯軸器安裝在齒輪箱與車軸之間,傳遞電機經過齒輪箱輸出的轉矩和轉速,從而驅動輪對前進[2],同時補償齒輪箱與車軸的相對位移。

橡膠聯軸器由車輪側半聯軸器和齒輪箱側半聯軸器兩部分組成,如圖1所示。車輪連接盤卡爪、中間軸卡爪交錯與橡膠環配合安裝,通過緊固件組成車軸側半聯軸器。外連接盤卡爪、齒輪箱連接盤卡爪交錯與橡膠環配合安裝,通過緊固件組成齒輪箱側半聯軸器。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。橡膠聯軸器工作時,橡膠環發生偏轉,以補償車軸與齒輪箱輸出軸相對位移。

1—車輪側半聯軸器;2—齒輪箱側半聯軸器;3—外連接盤;4—齒輪箱連接盤;5—橡膠環;6—橡膠環;7—中間軸;8—車輪連接盤。

橡膠聯軸器在有軌電車運用過程中,發現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,對其斷口形貌進行理化分析,同時利用有限元軟件校核計算外連接盤強度。

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,斷口符合低周高應力疲勞斷裂特征,裂紋源起始于工藝通孔加強筋側孔口內壁過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:一是工藝通孔加強筋側孔口處有尖角,存在應力集中;二是在加強筋側孔口遺留了較大尺寸毛刺,使得該處應力集中系數顯著增加。外連接盤在服役過程中,裂紋源沿尖角、毛刺發生開裂,經過延伸擴展,直至外連接盤斷裂。

圖3 外連接盤斷口形貌

2.2 強度校核

由于橡膠聯軸器是由橡膠環和4個連接盤組成的彈性體,橡膠聯軸器在工作時,橡膠環變形是非線性的,橡膠分析模型采用Mooney-Rivlin模型[3-4]。橡膠應變能密度W函數表示為:

(1)

式中:C10、C01均為力學性能常數;I1、I2均為應變不變量;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

由于橡膠聯軸器各部分關聯性較強,為準確計算分析外連接盤強度,將橡膠聯軸器系統在有限元軟件中建模。利用有限元軟件對橡膠聯軸器系統模型進行網格劃分,橡膠聯軸器計算模型采用四面體與六面體混合網格劃分,計算模型如圖4所示。其中,節點總數為145 680,單元總數為285 430。

圖4 橡膠聯軸器計算模型

2.2.2材料屬性及邊界條件

橡膠聯軸器主要包括4個連接盤和2個橡膠環。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,屈服強度不小于900 MPa。由鋁塊和橡膠塊整體硫化得到橡膠環,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,屈服強度不小于190 MPa。橡膠材料參數如下: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外所有自由度,約束齒輪嚙合位置繞軸旋轉自由度,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 橡膠聯軸器計算邊界條件及載荷

2.2.3橡膠聯軸器計算結果

利用有限元軟件,計算橡膠聯軸器在徑向位移為10.8 mm,扭矩為6 283 N·m(對應輸入端扭矩為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,組合計算工況如表1所示。

表1 橡膠聯軸器組合計算結果

2.2.4外連接盤應力分析結果

經過計算,得到在各個工況下外連接盤受力情況,在工況8外連接盤應力最大,最大應力為689.6 MPa,外連接盤最大應力位置在其工藝孔口處,外連接盤在該組合下應力云圖如圖6所示。

圖6 外連接盤工況8應力云圖

結合FKM—2012《Analytical strength assessment of components in mechanical Engineering》規范,材料循環利用度為:

(2)

式中:σa,1為最高應力幅;σBK為相關構件的變幅疲勞強度;jD為總安全因子。

根據外連接盤在不同工況下的應力結果,同時考慮外連接盤結構尺寸及表面粗糙度的影響,總安全因子jD取1.25,利用FKM規范完成外連接盤的疲勞強度評估,經過評估計算,橡膠聯軸器外連接盤工藝孔口部位材料疲勞強度利用率為1.80,大于1,外連接盤工藝孔口疲勞強度不滿足應用要求;同時發現外連接盤工藝孔口加強筋部位有應力集中,應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度利用率云圖

綜合分析,橡膠聯軸器外連接盤結構設計不合理,在工藝孔口處存在應力集中,并且外連接盤工藝孔口材料疲勞強度最大利用率大于1,橡膠聯軸器外連接盤疲勞強度不滿足該有軌電車運行要求,因此外連接盤在工藝孔口發生斷裂失效。

3 外連接盤優化技術方案

3.1 外連接盤結構優化

根據外連接盤失效原因,從以下幾個方面對外連接盤結構進行優化,以消除應力集中。

1)填平工藝孔周邊的臺階結構,去除小的臺階結構。

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明并作為嚴控的工藝項點。

外連接盤結構優化前后對比如圖8所示。

圖8 外連接盤結構優化前后對比圖

3.2 優化外連接盤強度校核

利用有限元軟件,按照2.2章節計算過程,校核計算優化后外連接盤疲勞強度。優化后外連接盤組合計算工況如表2所示。

表2 優化后橡膠聯軸器組合計算結果

對比外連接盤優化前后的疲勞強度計算結果,發現在各個計算工況下,優化后外連接盤最大應力較優化前外連接盤最大應力大幅降低。優化后外連接盤在組合工況8下,最大應力為353.0 MPa,最大應力較優化前降低了48.8%。優化后外連接盤該組合工況下應力云圖如圖9所示。由云圖發現優化后外連接盤沒有原始外連接盤工藝孔口應力集中的缺陷。

圖9 優化后外連接盤工況8應力云圖

根據優化后外連接盤在不同工況下的應力結果,結合FKM規范計算得到外連接盤材料疲勞強度利用率云圖,如圖10所示。由計算結果可知,外連接盤材料疲勞強度最大利用率為0.92,小于1,同時優化后外連接盤沒有原始外連接盤工藝孔口應力集中的缺陷。通過計算分析,外連接盤通過結構優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度利用率云圖

4 試驗驗證

為驗證優化后的外連接盤不存在應力集中,且外連接盤疲勞強度滿足橡膠聯軸器應用要求,開展了外連接盤旋轉疲勞試驗和裝車考核試驗。

4.1 外連接盤旋轉疲勞試驗

為驗證優化外連接盤疲勞性能,對其進行1 000萬次旋轉疲勞試驗。疲勞試驗臺見圖11,將裝有橡膠聯軸器的試驗齒輪箱通過試驗工裝分別與驅動電機及負載電機相連接,通過調節驅動電機與負載電機的轉速及扭矩,實現對橡膠聯軸器的加載試驗[5]。

圖11 旋轉疲勞試驗臺

外連接盤經過1 000萬次疲勞試驗后,對其進行磁粉探傷,如圖12所示。優化外連接盤疲勞試驗后外表面及工藝孔口未發現磁痕積聚現象,無裂紋缺陷,質量合格。

圖12 優化外連接盤磁粉探傷

4.2 外連接盤裝車考核試驗

優化外連接盤應力測試試驗和旋轉疲勞試驗合格后,對4個優化后外連接盤樣品進行裝車考核試驗。裝車試驗分3個階段:廠內50 km空載調試試驗,AW3重載工況正線線路100 km運行試驗和線路載客運行10萬km試驗。優化外連接盤經過廠內空載調試和正線線路重載試驗后,檢查橡膠聯軸器整體運行狀態良好,緊固螺栓防松標記完好,外連接盤外觀表面狀態良好。

優化外連接盤通過重載試驗后,進行線路運營考核,線路運營里程超過10萬km,橡膠聯軸器整體運行狀態良好,外連接盤未發生斷裂故障。橡膠聯軸器運營考核后狀態如圖13所示。

圖13 運營考核后橡膠聯軸器狀態

5 總結

針對橡膠聯軸器原始外連接盤結構設計不合理、外連接盤在工藝孔口存在應力集中、其疲勞強度較低等問題導致的斷裂失效故障,對外連接盤結構

進行優化,去除應力集中結構,銳棱圓角處理,對工藝孔口倒角進行處理;并對優化的外連接盤進行強度校核,疲勞強度滿足設計要求。對優化外連接盤樣件進行旋轉疲勞試驗和裝車考核試驗驗證,外連接盤沿工藝孔口無裂紋,橡膠聯軸器整體狀態良好。

綜上所述,通過優化外連接盤結構從根源上解決了外連接盤沿工藝孔斷裂故障,優化后的外連接盤滿足有軌電車車輛應用要求。同時該故障的解決,對后續連接盤的設計和應用均有十分重要的參考價值。