YDJ型移动式架车机丝杆联轴器弹性体碎裂原因及防范

陈大浪

（广东省国防科技技师学院，广东广州 510515）

移动式架车机是通过群组同步协调作业把车厢顶升到一定高度以便于检修和维护，是地铁车辆段检修库中重要的检修设备之一[1]，是地铁车辆检修、车体与转向架分解组装以及车底电器、制动等模块拆装的必备设备，故架车机的安全性、可靠性为人们所关注[2]。

架车机上每一个零部件都是对架车机的安全性、可靠性有影响的，移动式架车机中丝杆联轴器弹性体，作为移动式架车机中不可缺少的零件，假如它在工作过程中受到剪切力过大的话会导致碎裂，而弹性体碎裂将导致丝杆联轴节弹性体失效，最终导致整个联轴器失效，减速箱的旋转运动无法传递至丝杆导致对移动式架车机同步控制具有较大的安全风险等不好影响[3]。故对架车机进行普查也要重点检查，留意它是否完好。

1 移动式架车机丝杆联轴器弹性体碎裂及故障分析

（1）故障的发现

车辆设备大修期间，车辆设备大修分部在对x号线YDJ型移动式架车机进行节前普查时，在2组3#移动式架车机轴向轴承观察口位置发现大量红色聚氨酯碎片。经过检查，该红色聚氨酯碎片和丝杆联轴器弹性体材质一致，2组3#移动式架车机丝杆丝杆联轴器弹性体已经完全破碎，联轴器其他部件未见异常，如图1所示。

图1 观察窗底部可见大量红色聚氨酯碎片

（2）故障分析

根据现场普查情况，目前有八台移动式架车机存在类似问题。该联轴器结构由两个半联轴器、弹性体组成[3]，如图2。

该联轴器安装在电机减速箱和丝杆连接处，一侧半联轴节固定在减速箱下方，另一侧半联轴节固定在丝杆顶部。中间由弹性体联接。该结构适用于两同轴线的传动，弹性体具有补偿两轴相对偏移、缓冲、减震的功能，如图3。

x号线YDJ型移动式架车机联轴器弹性体型号为LX9星型弹性体，属于标准件，根据JB/T 10466-2004星形弹性联轴器国家标准，该联轴器公称扭矩为2 000 N·m，许用转速为4 750 r/min，适用温度范围为-30℃～80℃，材质要求为聚酯型聚氨酯（UR），具体及计算参数见表1[4]。

图2 联轴器爆炸图

图3 联轴器安装位置示意图

表1 LX9型弹性体技术参数

计算转矩由下式求出：

式中：TC——计算转矩，单位为N·m；

K1——温度系数，见表2；

K2——启动系数，见表3；

K3——冲击系数，见表4；

Tn——公称转矩，单位为N·m；

PW——驱动功率，单位为kW；

n——工作转速，单位为r/min。

表2 温度系数

表3 启动系数

表4 冲击系数

根据广州全年温度在10℃～35℃之间，环境温度K1选择1.0；

根据设备每小时启动频率大约为10次，启动次数K2选择1.0；

冲击系数选择1.5；

电机额定功率为：4 kW；

减速箱输出转速n为：17 r/min

带入数据：Tc=3 370.59 N·m

根据校核结果：当电机输出功率为额定功率59%以下时，该弹性体满足使用要求。

弹性体作为联轴器缓冲件、具有补偿两轴相对偏移、缓冲、减震的功能，主要失效原因是受到剪切力，造成弹性体磨损甚至爪齿完全粉碎。而造成剪切力过大的最主要原因是两轴同心度偏差较大。YDJ移动式架车机传动方式为电机-减速箱-联轴节-丝杆-螺母的传动模式，根据图纸分析，在丝杆底部并未设置平面球轴承，当丝杆与减速箱输出轴同心度存在偏差时，所有的径向位移偏差都由弹性体补偿[5]。

此外，弹性体老化，腐蚀性气体液体，环境温度过高或者过低，设备自身的共振也会造成弹性体失效的原因。五号线移动式架车机2008年出厂，截至目前已经使用6年，目前拆卸的弹性体对比新备件，普遍存在回弹性下降，材质发硬的问题。该设备放置位置为鱼珠大修段7道，设备工作环境通风良好，不存在腐蚀性气体，环境温度10℃～35℃之间，符合弹性体设计要求；该部位没有润滑要求，拆开联轴器检查弹性体表面干燥未发现腐蚀性油脂液体。设备自身共振问题，因需要在更换新弹性体后长期跟踪，暂时无法确定。

根据以上分析，判断本次故障的主要原因是弹性体老化，造成弹性体回弹性、硬度、抗拉强度等机械性能下降。次要原因是因YDJ移动式架车机自身传动结构特点造成所有的径向位移偏差都由弹性体补偿，当丝杆与减速箱输出轴同心度存在偏差较大时，弹性体长期承受较大的剪切力造成部件失效。

2 风险分析

YDJ移动式架车机传动方式为电机-减速箱-联轴节-丝杆-螺母的模式，架车机的升降高度通过安装在电机顶部的旋转编码器进行计算。

丝杆联轴节弹性体失效产生的风险，可从对联轴节本身的影响和对同步控制的影响两方面分析。

根据本文前面部分的分析可知道，该联轴器结构由两个半联轴节、弹性体组成。半联轴节的材料为45#钢或ZG310-570，弹性体的主要作用是补偿两轴相对偏移、缓冲、减震。当弹性体失效时，半联轴节金属爪齿直接接触，产生剧烈的冲击，长期将导致爪齿磨损甚至断裂，并最终导致整个联轴器失效，减速箱的旋转运动无法传递至丝杆。

x号线YDJ移动式架车机旋转编码器安装在电机顶部，如图4。控制原理为通过旋转编码器测量电机的实际转速，通过换算，转换为丝杆的转速，再乘以丝杆的导程，换算成托头升降的高度。即：

托头升降高度=（旋转编码器测量的电机转速/减速箱减速比）×丝杆导程

当弹性体失效时，联轴器径向间隙变大，减速箱输出的转速与丝杆实际转速存在差异，造成PLC系统读取的同步控制数据不准确，架车机群组出现同步误差。最极端的情况是，在单台架车机联轴器整体失效的状态下，减速箱输出轴的旋转运动无法传递至丝杆，旋转编码器检测电机转速数据正常，PLC系统判断此时架车机组同步误差在系统允许范围内，但因丝杆没有旋转，导致螺母没有带动托头升降动作，实际此时架车机组同步高度已经出现偏差。

根据上述分析，弹性体失效对移动式架车机同步控制具有较大的安全风险[6]。

图4 旋转编码器示意图

3 防范与建议

（1）立即更换16台五号线YDJ移动式架车机丝杆联轴器弹性体。

（2）修改YDJ移动式架车机检修规程，在半年检增加丝杆联轴器检查项目：1）通过观察窗目视检查丝杆联轴器弹性体渐开线齿有无裂纹、气泡和杂质，如有裂纹、气泡和杂质立即更换；2）目视检查联轴器的两个半联轴节爪齿有无裂纹和磨耗，如有裂纹和磨耗痕迹立即更换；3）每半年用塞尺测量弹性体磨耗间隙，抽查两个位置，当任一位置磨耗间隙大于1 mm时，立即更换弹性体（图5）[7]。

弹性体磨损严重的八台移动式架车机，在更换弹性体时，减速箱底部固定螺栓不完全固定，将架车机升降运行三次后，再将减速箱底部固定螺栓紧固。

图5 弹性体磨耗值测量示意图

4 结束语

架车机丝杆联轴器弹性体碎裂是丝杆联轴器故障最常见的故障方式，引起该故障的原因是多方面的，而最主要的原因就是如上面分析一样：弹性体长期承受较大的剪切力造成部件失效。而弹性体失效对移动式架车机同步控制具有较大的安全风险。通过本次故障分析及风险分析给出了防范与建议，同时也为以后对架车机丝杆联轴器弹性体检修提供了理论依据。