某型钢轨打磨车分动箱联轴器结构分析及改进

唐辉，谢莹，刘勇

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412007）

0 引言

钢轨打磨是铁路维修的重要工作内容之一，是现阶段预防、治理钢轨伤损最有效、最常用的方法。钢轨打磨能够治理包括裂纹、剥落掉块、波磨、擦伤、硌伤、肥边、不均匀磨耗、光带不良在内的一系列钢轨轨面伤损。钢轨打磨可以改善轮轨接触状态，预防和延缓钢轨的接触疲劳、不均匀磨耗、波磨等问题，修复或减轻轨面伤损，降低钢轨安全事故发生的可能性，延长轨面运行设备的使用寿命和维修周期[1]。

某型钢轨打磨车是目前铁路钢轨打磨领域的主力车型之一，该型打磨车共由号1车、2号车、3号车等3节车组成。其中1号、3号车均为设置有司机室的动力车，设置有柴油机动力系统，可为打磨车运行和打磨提供动力，实现列车运行及作业双工况的牵引。2号车为生活车，设置了材料间、更衣室、水箱等。打磨车车下共有48个打磨头，操作人员可通过控制系统完成车辆的恒速运行、打磨头功率和打磨角度的调节，完成打磨作业。

图1 某型钢轨打磨车布置

在1号车、3号车均设有1台康明斯KTA38型柴油机，柴油机额定转速下的功率为1007 kW。如图2所示，每台发动机通过分动箱带动4台走行液压泵工作，同时带动4台辅助液压泵工作，4台走行液压泵通过液压系统与安装在车轴齿轮箱上的液压马达相连，带动车轴转动，为走行系统提供动力，4个辅助液压泵分别与液压油、发动机冷却液的散热风扇马达相连，为散热系统提供动力。分动箱和发动机飞轮端之间通过联轴器连接。该联轴器是打磨车动力传动系统的核心零部件之一，一旦发生失效，整车将会失去走行动力。联轴器的性能和寿命是整车使用性能的关键影响因素之一。

图2 钢轨打磨车动力系统布置图

在实际运用中，配属不同铁路局的该型钢轨打磨车在正常使用一段时间后均出现了分动箱处联轴器和轴磨损严重、使用寿命短、频繁失效需要更换的共性问题。这严重影响了打磨车的走行安全和作业效率。拆解、分析失效的轴、联轴器，普遍存在以下现象：1）传动轴磨损严重、甚至发生弯曲；2）联轴器弹性连接件断裂破坏等。

图3是该型打磨车分动箱处联轴器、轴破坏的实物照片。根据实物的破坏程度和破坏类型分析是由剧烈振动造成的。推测正常工作时，该结构中轴的固有频率和发动机的激振频率接近，轴发生共振而产生较大横向振幅，进而导致结构发生破坏失效。

图3 联轴器、轴破坏情况

为了验证对联轴器和轴失效原因的推测，解决该联轴器和轴频繁失效问题，本文对轴实施极限转速计算、模态分析、谐响应分析等方式获取轴的固有频率和振型，通过比较轴的固有频率和发动机正常运转时的激振频率来确定联轴器和轴频繁失效的原因；进而提出一种结构改进设计方案，并采用ANSYS模态分析计算改进后结构的固有频率和振型来验证改进方案的有效性。这为解决该型打磨车联轴器和轴频繁失效问题并提高该型打磨车的使用性能提供了一种行之有效的方法。

1 原因分析

振动现象是机械结构常见的问题之一，振动会引发共振或疲劳从而使结构失效。了解结构的固有振动频率及振型，通过合理设计，使结构的固有频率远离外激励的频率，能够防止结构出现共振现象[2-3]。从拆解的轴和联轴器的实物失效的类型和程度分析，推测是由轴在外激励的作用下发生共振，联轴器和轴发生了剧烈横向振动造成的破坏失效，而此处唯一的外激励来自发动机正常工作时的振动。为了验证上述推测，需要比较确定轴的固有频率和发动机正常工作时的激振频率之间的关系。采用计算轴极限转速和模态分析两种方式来获取轴的固有频率和振型。

1.1 轴极限转速计算

转动系统中转子部分的各段的质心不可能恰好与回转轴重合，因此，在某些转速下，出现横向扰动会引发转动系统发生强烈振动，此时的转速被称为临界转速。轴的常见振动型式有横向（弯曲）、扭曲和纵向，其中最常见的是横向振动。轴的临界转速与横向振动固有频率在数值上相同，为避免轴在运转过程中发生共振，轴所受的外激励不得与任何临界转速接近[3]。

轴的一阶临界转速计算公式[4]为：

式中：W1为圆盘所受重力，N；L为轴的长度，mm；E为轴材料的弹性模量，E=206 GPa；I为轴截面的惯性矩，mm4；μ为支承间距离μL与轴的总长度L之比；K为轴的刚度系数，N/mm。

综合现有技术资料和现场测量等方式获取了该结构的上述各参数，代入式（1）、式（2）得ncr1=9314 r/min，则该临界转速所对应的轴一阶横向振动固有频率为fcr1=ncr1/60=155.2 Hz。

1.2 轴的模态分析

模态分析是常用的确定结构振型及固有频率的一种计算方式，它也是更详细的动力学分析的起点。模态分析在ANSYS中是一种线性分析方式，一般包括建模、加载及求解、扩展模态和观察结果4个步骤[5-6]。

在ANSYS中以SOLID187单元创建该轴的有限元模型，有限元模型中将弹性联轴器转化为质量点，轴的轴承支撑处施加3个方向的位移约束[7]，使用四面体单元划分网格，有限元模型共有18 749个节点、12 188个单元。对该轴施加约束并进行模态分析，采用Block Lanczos法提取模态分析前10阶的结果。表1为该轴模态分析所得的前10阶固有频率。

表1 轴的前10阶固有频率Hz

由模态分析结果可知，该轴1阶横向振动的固有频率为177 Hz。

1.3 失效原因分析

发动机运转时，气缸内的混合气体燃烧时会产生绕曲轴轴线的脉冲式转矩，对多缸发动机来说，总转矩是关于曲轴转角的周期性函数。这种周期性的转矩脉冲被称为发动机的着火脉冲，着火脉冲是发动机的主要振动激励来源。多缸发动机的着火间隔固定时，其着火脉冲频率[8]为

式中：N为发动机缸数；n为曲轴转速；C为冲程数。

该型打磨车的发动机为12缸4冲程，转速范围为800～1800 r/min，发动机的怠速为900 r/min，用于等待状态，可节省燃油；额定转速为1800 r/min，用于打磨及走行输出最大功率，正常工作时，发动机大部分时间是处在额定转速状态。则由式（3）得发动机的激振频率范围为80～180 Hz。且发动机在额定转速正常工作时，激振频率范围为180 Hz。

根据轴的临界转速计算结果，其1阶固有频率为155.2 Hz；根据轴的模态分析计算的结果，轴的1阶固有频率为177 Hz。两种方法计算结果接近。这一方面印证了两种计算方式所得结果的准确性；另一方面，两种方法所得轴的1阶固有频率均与发动机正常运转时的着火脉冲频率，特别是和发动机额定转速下的激振频率非常接近。即在发动机额定转速正常工作产生的激振下，该轴会发生共振，产生较大的横向振动，从而导致轴和联轴器的磨损和破坏。

谐响应分析是分析结构在持续简谐载荷作用下周期响应的一种常用方式。谐响应分析能直观反映出激励与振幅之间的量化关系，通过谐响应分析能够得出结构在各种频率下的响应值，进而获取响应值关于频率的曲线。在得到的响应值关于频率的曲线上能够快速找到该结构在外激励作用下的峰值响应。在ANSYS中对该轴进行谐响应分析，分析结果如图4所示。在不同的激振频率的动载荷的作用下，轴的最大横向位移出现在177 Hz 附 近，即外激励的频率在轴的1阶固有频率附近时，轴的横向振幅最大。

图4 轴的谐响应曲线

2 改进设计

为改善该型打磨车联轴器和轴频繁失效的问题，最简单的方式是改变轴的固有频率，使轴的固有频率远离发动机着火脉冲频率。结构的振型和固有频率与所受的外载荷无关，只取决于结构的几何形状、约束条件及材料特性。在改进方案中，新轴由花键联接的两段轴组成，两段轴通过轴承安装在壳体上，上、下壳体通过螺栓连接，改进后的结构如图5所示。花键联接为多齿工作，承载能力高，对中性、导向性好，齿根较浅，应力集中较小，轴与毂强度削弱小，这种方式将原来的轴拆分成两段，本质上是改变轴的约束和几何形状，与其它方式相比，这种方式改动量更小，成本更低。

图5 改进后分动箱联轴器结构示意图

3 改进结果分析

若要使改进后的方案切实有效，则必须使改进后轴的固有频率避开发动机正常运转时的着火脉冲频率。仿照此前的方法在ANSYS中创建改进后轴的有限元模型，对改进后的轴做模态分析，计算改进后轴的固有频率和振型。

表2为ANSYS模态分析所得改进后轴的前10阶固有频率和振型。改进后轴的1阶横向振动固有频率为963 Hz，已经远离了发动机正常工作时的激振频率80～180 Hz。

表2 改进后轴的前10阶固有频率 Hz

由上述分析可知，改进后轴的固有频率远离了发动机正常工作时着火脉冲产生的激振频率，在发动机正常工作时，轴不会发生共振破坏。

4 结论

通过以上分析，某型钢轨打磨车发动机处分动箱的轴、联轴器频繁失效原因是：发动机在正常运转时产生的激振频率与轴的1阶横向固有频率接近，从而导致轴发生共振。针对轴失效的原因，结构改进设计后轴的各阶固有频率均远离发动机正常工作时着火脉冲的激振频率，轴不会发生共振破坏，可改善结构的性能，同时延长轴和联轴器的使用寿命。该改进方案提供了一种行之有效的方法，可解决该型打磨车联轴器和轴频繁失效的问题，提高该打磨车的使用性能，提升现场作业效率并降低车辆的使用维护成本。