动车组联轴节滑移衬套滑移失效故障研究分析

周月忠，傅双波，吴佳欢，李毅磊

(1.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；2.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035)

动车组联轴节作为转向架驱动部分的关键部件，是牵引电动机和齿轮箱之间的连接结构，其主要作用为：将牵引电动机输出扭矩有效地传递至齿轮箱，最后将动力传递到车轮；承担牵引电动机输出轴与齿轮箱输入轴之间产生的变位，主要包括轴向和径向2个维度的变位[1]。动车组运行时，特别是高速运行时，受一系悬挂系统的影响,牵引电动机与齿轮箱之间会产生横向、纵向、垂向的变化，齿轮箱中心、联轴节中心和牵引电动机中心通常不在同一平面。如果没有联轴节作为中间的连接，牵引电动机和齿轮箱将在不同平面直接铰动，定会造成机械结构的损伤，后果非常严重。因此，联轴节的另外一个作用就是承载牵引电动机输出轴与齿轮箱输入轴之间产生的变位。

动车组通常采用齿式结构的挠性联轴节(除CRH5型动车组采用万向轴)。鼓型齿联轴节结构紧凑，回转半径小，承载能力强，具有较大的变位补偿能力，更适合于动车组运行速度快、承载大的特点。目前装车的联轴节主要包括德国KWD、比利时艾斯克、德国弗兰德、日本三菱，它们分别装用在不同平台动车组上。其中某联轴节最典型故障为滑移衬套松脱,自2015年以来，全路累计发生7起该联轴节滑移衬套松脱故障，具体如表1所示。本文将对该联轴节的内部结构及力传递过程、滑移衬套工作原理及失效原因等进行深入分析，并提出改进建议及措施。

表1 某联轴节滑移衬套松脱故障统计

1 联轴节结构原理

1.1 内部结构

该联轴节为脂润滑联轴节，分为电动机侧联轴节和齿轮箱侧联轴节[2]。如图1所示，电动机侧联轴节主要包括滑移衬套、内齿圈(外套)、鼓形齿、冠状齿、密封端盖、端盖螺栓、定位销等[3]；齿轮箱侧联轴节与电动机侧联轴节相比，少了滑移衬套、压板、端盖螺栓和定位销。两侧联轴节通过电动机侧与齿轮箱侧鼓形齿上的冠状齿啮合，再经8颗连接螺栓组紧固在一起，紧固螺栓不承受剪切力，冠状齿外侧采用密封圈密封，以防止外界水汽进入联轴节内部。

图1 联轴节结构剖面图

1.2 力传递过程

图2为该联轴节力传递路径图。正常情况下，牵引电动机主轴通过与滑移衬套的过盈配合静摩擦力带动滑移衬套旋转，滑移衬套通过与内齿套的过盈配合静摩擦力带动内齿套旋转。电动机侧联轴节内齿套与鼓形齿为齿啮合结构，将内齿套的牵引力再传递至鼓形齿，牵引电动机侧与齿轮箱侧联轴节通过齿啮合以及紧固螺栓紧固连接，将电动机侧产生的牵引力传递至齿轮箱侧联轴节鼓形齿，再传递至齿轮箱侧联轴节内齿套，进而传递至齿轮箱小齿轮以及大齿轮，将牵引力传递至轮对[4]。

1.内齿套；2.鼓形齿；3.鼓形齿；4.内齿套；5.滑移衬套；6.电动机主轴。

1.3 过载保护原理

图3为滑移结构原理图，滑移衬套与牵引电动机主轴是过盈配合，其接触面为图3中所示的B面。滑移衬套与内齿套也是过盈配合，其接触面为图3中所示的A面。B面与A面相比，其设计的过盈量要更大[5]。当牵引电动机输出扭矩(设计值7 000～10 500 N·m)超过A面所能承载的最大静摩擦力时，滑移衬套与联轴节内齿套之间会发生相对滑动，以确保过大的扭矩不会传递至齿轮箱。

图3 滑移结构原理图

2 联轴节滑移衬套滑移失效原因分析

2.1 滑移衬套过载保护力矩传递分析

在出现过大扭矩时，滑移衬套若要正常实现过载保护，需要同时满足以下2个条件：一是接触面A(滑移面)出现相对转动；二是接触面B(固定面)不得出现相对转动。当接触面A和接触面B处于异常状态时，会导致联轴节出现不同类型的故障，具体分析如表2所示。

表2 联轴节滑移衬套滑移失效模式

2.2 滑移衬套滑移失效原因分析

滑移衬套滑移失效也就是牵引电动机输出扭矩过大时过载保护失效。滑移衬套滑移失效有2种表现形式：“该滑移时没有滑移”及“不该滑移时滑移”。前者失效的主要原因包括滑移衬套实际过盈量过大，超过了设计值(7 000～10 500 N·m)；电动机主轴与滑移衬套配合面(B面)先发生滑移，造成定位销被剪断、压盖螺栓松动或断裂，最终导致滑移衬套滑移失效。后者失效的主要原因包括电动机输出了较大扭矩，直接对滑移衬套造成不可逆的破坏；牵引电动机输出的扭矩过大造成A面频繁滑移，滑移次数超过允许次数(设计值为100次)，导致滑移衬套滑移失效。

进一步分析引起联轴节故障的因素，可以归结为内因和外因两部分。其中内因是指联轴节在制造、组装等方面造成的滑移衬套配合过盈量不符合要求或者组装不到位；外因是指牵引电动机输出的扭矩过大。

2.2.1 制造因素

影响联轴节制造的关键因素有2个：一是工件机加工尺寸；二是滑移衬套的表面处理工艺。

2.2.1.1机加工尺寸

机加工关键尺寸包括滑移衬套的长度、滑移衬套前端和后端的内外表面直径、滑移衬套的锥度、内齿套长度及外径等，这些尺寸均会影响组装后的过盈量。

为了验证滑移衬套故障是否与机加工尺寸精度有关，本文选取故障件进行尺寸测量，同时选取新件进行测量，用于数据对比。通过对比测量结果发现，新件与故障件在各处的直径、锥度、长度等差别很小，但故障件的个别尺寸超出限度范围。

2.2.1.2表面处理工艺

该联轴节滑移衬套材质为铜合金。机加工后，在铜质摩擦衬套的外表面进行表面处理，喷涂一层含有钼、硫等元素的金属涂层，其目的主要是为了提高表面硬度，降低表面摩擦因数(摩擦因数由0.15～0.20降低至0.10～0.12)，同时涂层对摩擦面还起到保护作用。由于表面处理工艺对涂层厚度、各配合面的过盈量及表面摩擦因数起着至关重要的作用，因此对涂层工艺有很高的质量要求。

2.2.2 组装因素

滑移衬套最大承载扭矩主要通过过盈量的大小来决定[6]，动车组新造及高级修时均涉及到联轴节的组装。在联轴节组装过程中，组装工艺及组装后的各项参数尺寸决定了最终的过盈量是否符合要求，具体包括以下几个方面：

(1) 压装前电动机主轴与滑移衬套内端面贴合率≥85%。为了保证牵引电动机主轴与滑移衬套的接触面(B面)有足够的静摩擦力，需要保证这个接触面在压装前有足够的贴合率。如果主轴与滑移衬套的内端面贴合不良，会造成静摩擦力不足。一旦电动机输出一个较大扭矩，B面会先于A面滑动。若B面出现相对滑动，电动机主轴与滑移衬套将会发生相对转动，则会破坏压盖、压盖螺栓及定位销，同时可能出现轴向的窜动。

(2) 电动机主轴与滑移衬套压装时，推力泵压力为40～45 MPa，膨胀泵压力为150～155 MPa，且保压(20±2) min。在进行压装之前，滑移衬套与联轴节内齿套之间为间隙配合，当滑移衬套压装到电动机主轴上时，会产生尺寸扩张效应，使滑移衬套与联轴节内齿套之间由间隙配合变为过盈配合。一旦压装不到位，就会造成过盈量不足，使A面或B面的最大承载扭矩偏小，容易造成滑移失效。另外，需要使滑移衬套与牵引电动机主轴配合面之间的液压油充分被挤压，以保证滑移衬套内圈与牵引电动机主轴面直接接触。如果保压时间不足，则容易导致滑移衬套与牵引电动机主轴配合面之间的液压油残留，从而影响B面静摩擦力。

(3) 牵引电动机主轴与滑移衬套压装完成后，滑移衬套外端面高出内齿套端面的距离≥0.2 mm。也就是说，压装安装后，压盖是压在滑移衬套上，而没有压到内齿套。如果没有0.2 mm的间隙，相当于压盖直接压在内齿套上。此时，一旦滑移衬套出现滑移保护时，压盖由于随着滑移衬套及主轴一起转动，那么就会与内齿套产生径向摩擦力，严重时导致定位销被剪断，进一步破坏密封端盖及端盖螺栓。

(4) 压装完成后使用塞尺检查牵引电动机主轴端面与滑移衬套间隙≤0.1 mm。这个尺寸可以表示牵引电动机与滑移衬套是否压装到位。如果间隙过大，则说明滑移衬套还没有完全压入。

(5) 电动机主轴与滑移衬套压入行程在5.3～7.1 mm。压入行程实际反映了滑移衬套的过盈量大小。通过试验台对不同压入行程的联轴节进行滑移扭矩试验，发现滑移扭矩受压入行程影响较大(图4)。

图4 不同压入行程与联轴节滑移扭矩的关系

(6) 电动机主轴压盖螺栓安装到位。牵引电动机主轴是一个锥形结构。端部设置了压盖将电动机主轴和滑移衬套使用螺栓紧固方式进行固定，固定螺栓本身不传递任何扭矩，其作用是保证滑移衬套即便出现过载滑移，仍能保持在指定的安装位置。如果压盖螺栓首先松动并导致压盖松脱，仅依靠滑移衬套和主轴的锥面过盈量抵抗轴向力，那么在轴向力偏大时会出现主轴与滑移衬套脱出现象。

2.2.3 外部扭矩因素

引起滑移衬套滑移失效的另外一个原因可能是牵引电动机输出较大的扭矩作用于力矩传递的环节。分析历年发生的7起该联轴节滑移衬套滑移失效故障，7起故障均发生在头车的4轴。因此，本文对头车4轴联轴节所受工况进行核查。

2.2.3.1头车4轴与本车其他轴对比

通过加装监控设备对牵引系统实时输出扭矩进行采集，采集到的典型数据如图5、图6所示。整个运营区间有个别区段时4轴存在峰值扭矩，同车4个轴之间扭矩最大差值为2 629.4 N·m。

图5 动车组当日运行时头车输出扭矩

图6 扭矩最大差值区段输出扭矩

动车组在运行时，轮对与钢轨之间存在黏着力，黏着力会导致车轮的前进速度比纯滚动时的圆周速度要小，这一现象称为蠕滑。在同一钢轨处，头车1、2、3、4轴是依次驶过，每驶过一次相当于对轨面清扫一次。在钢轨状态不良状态下，理论上1轴的黏着力最小，4轴的黏着力相对大一些。针对牵引方式采用车控方案的动车组，当运行方向前3台电动机出现滑行现象导致输出牵引力降低时，该辆车不能实时调整输出功率，因此剩余的功率将转移至第4台电动机上，造成第4台电动机电流增大，输出扭矩绝对值增大，进而造成在不同车轴上轮轴牵引力存在差异。

2.2.3.2头车与中间动力车对比

CRH380B平台动车组是由2组互相对称的牵引单元组成。每个牵引单元的牵引主电路设备主要由1个受电弓、1台牵引变压器、2台牵引变流器、8台牵引电动机和2个牵引控制单元组成。牵引变压器从受电弓引下的25 kV电源通过原边绕组转化为4个牵引绕组电压，为4台转向架供电。4个牵引绕组结构及参数完全一致，转化后电压完全一致。同一牵引单元下的8台牵引电动机为并联关系，从结构和原理上看，8台牵引电动机之间没有差异，输入电压一致，在负载相同的基础上，输出扭矩也一致。实际运用过程中也未发现中间车存在联轴节滑移现象。

从以上分析可知，因中间动力车的轮对与轨道之间黏着系数工况较好，产生打滑的概率相对较低，所以中间动力车每台牵引电动机输出扭矩也相对均衡。但是头车因黏着系数较差的关系，导致4轴输出扭矩相对本车其他3根轴输出扭矩偏大。同时每辆动车输出扭矩又是一样的，所以相对来说，头车4轴的输出扭矩与其他动车轮轴输出扭矩也是偏大的。即头车的4轴是最容易发生滑移衬套滑移失效的一根轴。

3 建议及措施

综合上述分析，本文从联轴节制造、组装以及后续运用环节等方面提出以下建议：

(1) 在制造环节，由于滑移衬套的长度、前后端的内外表面直径及锥度、内齿套长度及外径等机加工的尺寸参数均会直接影响组装后的过盈量，同时滑移衬套表面处理和涂层工艺也是影响滑移衬套过盈量及表面摩擦因数的关键。因此，建议加强制造环节的质量控制，对关键尺寸及表面处理质量进行更高要求的管控。

(2) 在组装环节，确定影响滑移衬套过载保护功能的关键尺寸以及关键工序，包括滑移衬套内端面与电动机主轴在压装前的贴合率(≥85%)，滑移衬套的压入行程(5.3～7.1 mm)，滑移衬套外端面高出内齿套端面的距离(≥0.2 mm)，滑移衬套压装后与电动机主轴端面的间隙(≤0.1 mm)。在动车组新造和高级修时，建议将上述关键点纳入质量检查的重点，进而可以避免因组装不到位引起的联轴节故障。

(3) 在运用环节，为了能够及时发现联轴节故障并采取有效措施，建议将滑移衬套滑移失效故障通过PHM系统进行预警。通过对滑移衬套滑移失效故障与牵引电动机定子温度的关联分析，建立失效模型。建议设定预警逻辑为：将一根轴的牵引电动机定子温度与同车厢其余3根轴的平均值进行对比，当温度差值≤25 ℃且持续5 min时，PHM系统预警预测模块报出“牵引电动机定子温度偏低”预警。

4 结束语

本文针对动车组联轴节滑移衬套滑移失效故障，通过对故障原理的研究提出了在制造、组装及运用环节的建议措施，并制定了联轴节故障的PHM预警机制，可以有效防范联轴节滑移衬套滑移失效故障，对动车组运行安全提供有力保障。