磁浮列车车钩橡胶轴承失效分析及拆装工艺

陈晓艳 王耀文

(1.上海市环境工程设计科学研究院有限公司,200232,上海;2.上海磁浮交通发展有限公司,201204,上海∥第一作者,工程师)

上海磁浮示范运营线的列车车钩位于车厢与车厢之间,是由凹凸型耦合件、橡胶轴承和轴销等组成(见图1)。磁浮列车的两车厢连接属于刚性连接。

自2002年上海磁浮列车运营以来,在日常的维护工作中发现有7处车钩橡胶轴承爆裂,损坏比例占到58.33%。橡胶轴承的橡胶部分爆裂长度约为35～50 mm,如图2所示。橡胶轴承的失效会对列车的平稳运行带来安全隐患,因此必须及时地进行失效分析并排除故障。

图1 磁浮列车车钩

图2 橡胶轴承的橡胶爆裂实景

1 车钩橡胶轴承失效分析

1.1 车钩橡胶轴承的工作年限分析

使用4年的车钩橡胶轴承,产生了如图2所示的老化爆裂现象。但从橡胶轴承的材料性能来说,这种情况是不应该这么快就产生的。

1.2 车钩橡胶轴承的载荷过程分析

1.2.1 静态载荷分析

列车在静止状态时,两车厢高度阀所控制的相关空气弹簧内部气压相等,两相邻空载车厢应该是等高的,车钩橡胶轴承不承受竖向(即Z向)载荷。

在进行空气弹簧控制单元维护测试时,因测试规范中没有说明需要对多少个高度阀进行充气抬高(即没有具体说明相关高度阀控制下有多少个空气弹簧内的气压需要达到0.80～0.95 MPa),故容易造成某车厢已被抬高,但相邻车厢未被抬高的现象,从而造成在实施该维护测试工作中车钩橡胶轴承承受很大的竖向载荷。这是车钩橡胶轴承失效的原因之一。

1.2.2 动态载荷分析

磁浮列车每一节车厢都是动车,其车钩橡胶轴承也不存在纵向载荷。在磁浮列车转弯和相邻车厢负载不均匀的情况下,车钩橡胶轴承会承受车厢负载差所引起的载荷。这是橡胶轴承失效的原因之二。

1.3 失效时的应力状态分析

从车钩橡胶轴承开裂的实况来看,其开裂位置位于Z向,从中得知橡胶轴承是受到Z向应力的作用。另外,拆卸车钩轴销时需50 t液压千斤顶方能作业。分解车钩后可知,相邻两车厢存在明显的高度差,高度差在50～80 mm之间。这就进一步说明,相邻两车厢的负载差完全由橡胶轴承承担。由文献[6]可知,车钩橡胶轴承承受的压力达28×104N。

磁浮列车的每节车厢左右侧各有8个空气弹簧支撑。空气弹簧里面的介质是压缩空气,由高度阀控制。高度阀是一个5位3通节流阀,如图3所示。它通过调节空气流量来达到控制空气弹簧里面的气压,从而实现车体高度的调节。

磁浮列车相邻2个车厢的2个高度阀的充气口是相通的。也就是说,1个高度阀既控制着该车厢左右各4个空气弹簧,还控制着相邻车厢左右各4个空气弹簧。2个高度阀是互相冗余的,即:在列车动态运行时,当甲车厢负载增加,甲车厢处于充气位置的高度阀对该甲车厢空气弹簧进行充气抬高;而相邻乙车厢没有负载增加,但由于冗余关系,势必也会对乙车厢空气弹簧进行充气以抬高车体,而此时乙车厢的高度阀处于放气位置,并对乙车厢空气弹簧进行放气以降低车体。此时,车钩橡胶轴承就承受Z向载荷。

图3 5位3通节流阀

1.4 材料性能分析

从《机械设计手册》得知,磁浮列车车钩橡胶轴承所采用的氟橡胶具有抗撕裂、耐挠曲和耐冲击的优越性能,能耐高温、耐油以及耐特种介质场合,有较好的力学性能、压缩性能和抗低温性能。但氟橡胶长期在高载荷环境下工作,也会造成橡胶老化变脆,当达到橡胶受压极限时就会爆裂。当磁浮列车两相邻车厢长期处于不等高的状态,会造成车钩橡胶轴承应力过载,从而造成了车钩橡胶轴承失效。这就是造成橡胶轴承失效的主要原因。

2 车钩轴承轴销的拆装工艺

车钩的凹凸型耦合件是锻造铝合金材料。车钩凸型耦合件的轴承孔直径是φ 110 mm H7,轴承的外经是φ 110 mmX6,过盈量最大为0.232 mm、最小为0.175 mm,属于较大过盈配合。所以,橡胶轴承的装配是一个技术难点。

针对目前磁浮列车车钩橡胶轴承失效爆裂的情况,对此进行分析并合理设计一个强度足够的工艺装备来快速完成轴销的拆卸任务是件重要的工作。

2.1 轴销拆卸装置的结构设计方案

通过对车钩结构及拆装的分析,现设计车钩轴销的拆卸装置如图4所示。

1)根据现场维护经验及前述应力状态分析,选定辅助设备为50 t液压千斤顶。

2)50 t液压千斤顶使图4所示的4根螺杆受到500 kN的拉伸力。按《机械设计手册》规定,需通过等截面直杆中心拉伸强度计算来选定螺杆。最后确定螺杆采用φ 30 mm的45号中碳钢,杆长540 mm,进行淬火并回火(回火温度450℃～490℃)。

图4 车钩轴销的拆卸装置

3)螺母采用M30标准件,等级为6.1型,容许载荷为403.9 kN。

4)50 t的液压千斤顶作用在底座中心的集中载荷P为500 kN。根据《机械设计手册》的矩形平板弯曲公式计算选定底座。最后确定底座为Q235-A碳素结构钢,尺寸为250 mm×180 mm×20 mm。

2.2 车钩橡胶轴承装配工艺

车钩凸型耦合件内径与车钩橡胶轴承的配合是过盈配合。车钩凸型耦合件是锻造铝合金材料AlMgSi(牌号6061 T6),采用温差法(热胀和冷却法)装配。车钩橡胶轴承的装配工艺如表 1所示。

表1 车钩橡胶轴承装配工艺

3 结语

1)采用温差法装配工艺的连接强度要比采用压入法的高1倍左右。

2)采用温差法装配工艺防止了对包容件的损坏。

3)应修改车体水平高度调节规程,减小车钩橡胶轴承因受竖向载荷而受损的危险,以延长橡胶轴承的使用寿命,从而降低磁浮列车的维修成本。

4)车钩轴销的拆卸装置采用组合夹具设计,其制作成本低且组装方便,并可在其它拆卸工作场合下使用。

[1] 杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] 陆明炯.实用机械工程材料手册[M].沈阳:辽宁技术科技出版社,2004.

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