地铁齿轮箱吊杆失效分析与对策研究

2024-01-17徐晓东

现代制造技术与装备 2023年11期

徐晓东

（常州大学机械与轨道交通学院，常州 213164）

齿轮箱是地铁电机动力传输的核心部件，能够将电机牵引力有效传送到车辆轮轴上，是地铁良好运行的关键零部件[1]。齿轮箱一般采用吊挂的方式安装在转向架架构上。该吊挂装置一般称为吊杆，其一端安装在齿轮箱上，另一端连接转向架架构吊环。工作时，吊杆需要承受车辆运行过程中产生的各类载荷，包括齿轮箱重力载荷、车体振动产生的冲击载荷以及齿轮传动产生的动态载荷等。目前，常用吊杆一般都配有缓冲橡胶部件，以减小车辆运行载荷对齿轮箱的冲击作用，同时保证转向架架构与传动系统发生相对运动时能够及时做出响应，避免影响其他部件的工作。因此，齿轮箱吊杆的结构可靠性是齿轮箱平稳工作及车辆安全运行的保障。

齿轮箱吊杆一般有倾斜吊挂和垂直吊挂两种方式，这两种方式在地铁列车中的应用均较为广泛[2]。某线路地铁在检查中发现不同台份车辆的3 件齿轮箱吊杆出现断裂，该吊杆材料为45 号钢，加工制造及热处理过程为原材料→锻造→热处理→抛丸→磁粉检测→涂底漆→机加工→镀锌（螺纹杆部）→入库检查→面漆（厚度不小于120 μm）。其中：热处理淬火温度为840～860 ℃，冷却方式为水冷；回火温度为530～600 ℃，冷却方式为空冷；正火温度为870～890 ℃，冷却方式为风冷；抛丸采用直径为2 mm 的钢珠，处理时间25～30 min。断裂的吊杆采用倾斜吊挂方式，吊杆顶部为螺纹结构，用螺母连接在转向架安装座上。杆身有2 只橡胶缓冲垫，分别安装在安装座上下表面。吊杆下端通过球面轴承与齿轮箱连接，断裂位置出现在该区域附近的圆弧弯角处。

为此，对断裂吊杆进行外观检查，对断口进行宏观与微观观察、金相检验、化学成分检验、力学性能检验等方面的分析，确定吊杆的断裂机理，并对其产生原因进行分析，为避免此类事件的再次发生提供有效的分析方法和借鉴。

1 试验过程分析

1.1 宏观观察

齿轮箱吊杆断裂位置在吊杆结构弯折过渡处，如图1 所示。断口可见典型的疲劳弧线和扩展棱线，从棱线汇聚方向可以判断出源区位于吊杆宽度侧面，呈线源，裂纹沿吊杆宽度方向扩展。从源区至距源区约24 mm 范围，扩展前期断面平坦，断口疲劳弧线不典型。从距源区24～47 mm 的断面处可见典型的疲劳弧线特征。距源区47～82 mm，在吊杆宽度两侧约4 mm 可见疲劳特征，宽度方向中部断面为粗糙撕裂区。距源区82～90 mm 可见典型的疲劳弧线特征。距源区90 mm 后断面粗糙，为瞬断区。吊杆断口宏观形貌如图2 所示。

图1 齿轮箱吊杆断裂位置

图2 吊杆断口宏观形貌

1.2 断口微观观察

将吊杆断口经丙酮超声波清洗后放入扫描电镜进行观察。吊杆断口源区位于表面，呈线源，未见冶金缺陷，在扩展过程中可见疲劳弧线和大量细密疲劳条带。距源区24～90 mm 的疲劳弧线宽度约为0.10～0.14 mm，瞬断区为韧窝特征，如图3 所示。

图3 吊杆断口微观形貌

1.3 金相分析

在吊杆断口疲劳源区取纵向金相试样，金相磨面垂直于断口面，使用4%硝酸酒精溶液浸蚀后进行观察。在疲劳源区及靠近疲劳源区未浸蚀的位置可以看到细小裂纹，表面存在一些微小的凹坑，没有发现较大杂质等明显缺陷。断口表面浸蚀酒精后，其疲劳源区的显微组织为全脱碳组织，表面厚度约为0.25 mm，并随着浸入深度的增加逐步降低至0.05 mm，局部区域略显不均匀。在疲劳源区下方靠近吊杆内表面的局部区域存在少量塑性变形，同时该区域附近可见数条深浅不一的细小裂纹，这些裂纹从吊杆表面向内部垂直延伸，最深的一条长度约为2 mm。

断口疲劳源区附近的显微组织主要可以分成4 个不同的区域，如图4 所示，由吊杆内表面至芯部区域依次标记为Ⅰ～Ⅳ。以0.2 kg 的力进行打压试验。显微组织Ⅰ的维氏硬度值约为137.0 HV，为吊杆内表面的全脱碳组织。向内逐渐发展为回火索氏体，其中夹杂着呈网状分布的白色铁素体，如图4（b）所示，该部分维氏硬度值约为246.0 HV。继续向内的显微组织Ⅲ的维氏硬度值约为265.0 HV，该区域的回火索氏体保持着马氏体位相。最内部是吊杆的基体组织部分，以回火索氏体为主，分布着少量的白色铁素体，如图4（d）所示，该区域的显微维氏硬度值在250.0 HV 左右。同时，观察显微组织可见，断口区域晶粒较细，表面晶粒度约为8.5 级，内部晶粒度约为9 级，没有发现异常的非金属杂物组织结构，其粗系及细系均在0.5 级以内。

图4 吊杆疲劳区附近的显微组织

1.4 理化性能分析

根据现行行业通用的理化试验相关标准，在该断裂吊杆不同部位采样并制作试验试件，依次对吊杆进行化学成分检测、拉伸试验、硬度测试以及冲击试验等研究[3]。结果表明，该吊杆化学成分符合采购标准的相关要求，但是拉伸试验中检测的3 个试样的屈服强度均低于相关技术要求，其他几项拉伸性能指标则能够满足要求。硬度测试的4 个点位表面碳层硬度平均值为167 HB，远低201～269 HB 的要求，芯部硬度平均值为228 HB，符合技术要求。另外，冲击试验检验的3 个试样的冲击性均能满足相关要求。

2 有限元分析

在齿轮箱传动系统中，通过吊杆连接将齿轮箱悬挂于转向架构架上，吊杆在工作中不但承受齿轮箱使用过程中的拉压载荷，还承受各种冲击载荷。为了分析吊杆的强度是否满足设计要求，并分析吊杆的应力分布情况，为设计改进提出意见和建议，需要计算分析吊杆的静强度[4]。

采用Pro/Engineer 软件进行三维建模，将模型导入有限元软件，进行结构化网格划分，得到有限元计算模型。然后对吊杆进行受力分析，计算不同工况下吊杆承受的拉力或压力值，并对模型施加相应的约束与载荷，得出额定工况和启动工况下吊杆的应力分布，计算结果分别如图5 和图6 所示。

图5 额定工况吊杆受拉（左）压(右)时的应力云图（单位：MPa）

图6 启动工况吊杆受拉（左）压(右)时的应力云图（单位：MPa）

由图5 和图6 可知，在额定工况下吊杆最大应力为132.5 MPa，启动状态下最大应力为167.8 MPa，均小于材料的屈服强度，能够满足吊杆强度的设计要求。

3 结果分析与对策

吊杆断裂位于结构弯折过渡处，断口源区位于弯折内侧边缘，扩展区可见典型的疲劳弧线和疲劳条带，由此可判断吊杆的断裂性质为疲劳破坏[5]。吊杆根部位于弯折内侧边缘，呈线源，表明其起始应力相对较大。同时，吊杆断口扩展中后期可见大量的快速撕裂特征，说明吊杆受力较大。根据实际工况，该地铁线路电机功率大，且受力较大，较其他线路高出10%～20%，在运行36 万～56 万km 期间发生3 起共模故障，分析认为可能是线路运行状态下吊杆疲劳裕度偏低导致。

由金相分析可知，吊杆表面存在抛丸裂纹和0.3 mm 范围的脱碳层，脱碳区硬度为167 HB，远低于芯部硬度的228 HB，对吊杆的疲劳开裂起到促进作用。由于外场运营的各吊杆制造状态相似，其他地区的吊杆并未发生类似故障，分析认为吊杆表面脱碳并不是本次吊杆发生疲劳失效的根本原因。经有限元计算，吊杆在额定与启动两种工况下最大应力点均位于断裂拐角处，但其最大应力值均能够满足吊杆强度的设计要求。

根据分析，制定相应的解决对策。可提高吊杆拐角处的R 值，优化结构设计，增加吊杆拐角处的加工余量，对拐角处进行车加工以去除脱碳层，并将抛丸改为喷丸强化处理。同时，将吊杆材质从45 号钢换成强度和韧性更好的42CrMo 钢，缩短对现服役吊杆的磁粉探伤排查周期，及时更换存在疲劳裂纹的吊杆，并在后续大修期全部更换该批次吊杆。