林生福

(中國神華軌道機械化維護分公司，天津300457)

大型養(yǎng)路機械傳動軸裂紋原因分析及對策

林生福

(中國神華軌道機械化維護分公司，天津300457)

根據(jù)大型養(yǎng)路機械傳動軸結構特點對其受力進行了分析，并依據(jù)近兩年大型養(yǎng)路機械發(fā)生的傳動軸裂紋統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析傳動軸產(chǎn)生裂紋的主要原因。闡述了改進傳動軸探傷檢測的方法，提出了傳動軸法蘭盤優(yōu)化結構設計、改進制造工藝以及強化傳動軸安裝工藝等對策，同時提出可通過更換不良傳動軸法蘭盤來降低年修成本，該措施在提高大型養(yǎng)路機械運用可靠性、降低維修成本方面已初見成效。

傳動軸裂紋 受力分析 優(yōu)化設計 對策

中國神華軌道機械化維護分公司(以下稱神維公司)現(xiàn)配置有80臺大型養(yǎng)路機械，機型包括QS-650型清篩機、DC-32型搗固車、DCL-32型搗固車、DWL-48型搗固穩(wěn)定車、CDC-16型道岔搗固車、WD-320型動力穩(wěn)定車、SPZ-200型雙向配砟車和DPZ-440型單向配砟車共8種大型養(yǎng)路機械。大型養(yǎng)路機械動力傳動系統(tǒng)采用進口的KGW、KGV和LZ等型號傳動軸，安裝在發(fā)動機、液力機械變速箱(ZF)、分動齒輪箱、車軸齒輪箱等部件之間，用于傳遞動力，驅動機械運行，帶動工作裝置作業(yè)。按照中國鐵路總公司大型養(yǎng)路機械檢修規(guī)則的要求，每年須對傳動軸進行探傷和動平衡檢測。神維分公司的80臺大型養(yǎng)路機械總共有408根傳動軸，在2012，2013年度年修中，分別探傷檢測出44，49根傳動軸有裂紋。傳動軸裂紋不僅是影響大型養(yǎng)路機械運行的安全隱患，也導致花費了大量費用更換新品。據(jù)統(tǒng)計每年更換傳動軸費用約為100萬元。本文分析傳動軸發(fā)生裂紋的主要原因，提出對策。

1 大型養(yǎng)路機械傳動軸安裝位置

QS-650型清篩機、SPZ-200型雙向配砟車和DPZ-440型單向配砟車發(fā)動機的動力直接由萬向傳動軸傳遞到分動齒輪箱，分動齒輪箱驅動多臺液壓泵為機械走行和工作裝置提供液壓能，通過液壓馬達、油缸等執(zhí)行元件驅動機械走行、帶動工作裝置作業(yè)，見圖1。

圖1 動力傳動系統(tǒng)

圖2 搗固車動力傳動系統(tǒng)

DC-32型搗固車、DCL-32型搗固車、DWL-48型搗固穩(wěn)定車、CDC-16型道岔搗固車和WD-320型動力穩(wěn)定車動力傳動系統(tǒng)為發(fā)動機的動力經(jīng)萬向傳動軸傳到液力機械動力換檔齒輪箱，高速運行時，機械換檔齒輪箱輸出的動力經(jīng)萬向傳動軸傳遞到分動齒輪箱，再由2根萬向傳動軸分別傳到機械主動轉向架上的2個車軸齒輪箱，驅動車輪轉動(圖2)。作業(yè)時，液力機械動力換檔齒輪箱驅動多臺液壓泵為機械走行和工作裝置提供液壓能，通過液壓馬達、油缸等執(zhí)行元件驅動機械走行、帶動工作裝置作業(yè)。作業(yè)主驅動馬達的動力通過減速齒輪箱和萬向傳動軸經(jīng)液力機械動力換檔齒輪箱的末級離合器驅動車輪轉動，同時，輔助驅動馬達直接驅動車軸齒輪箱，帶動車輪轉動。WD-320型動力穩(wěn)定車和DWL-48型搗固穩(wěn)定車的穩(wěn)定裝置作業(yè)時，振動馬達的動力經(jīng)萬向傳動軸驅動2臺穩(wěn)定裝置(圖3)。

圖3 穩(wěn)定裝置安裝示意

2 大型養(yǎng)路機械傳動軸的結構和特點

大型養(yǎng)路機械采用雙十字軸萬向傳動軸，其組成如圖4所示，通過法蘭盤和螺栓連接，能有效保證機械主、從動萬向節(jié)叉端的同步性，傳動軸軸線夾角在5°～25°，軸向伸縮補償在35～110 mm。

圖4 萬向傳動軸

2.1 傳動軸任意方向擺動性

由于機械制造和安裝誤差以及在工作過程中車架變形等均會引起主動軸和從動軸兩軸線的偏移，即發(fā)動機動力輸出軸與分動齒輪箱或液力機械動力換檔齒輪箱輸入軸、液力機械動力換檔齒輪箱輸出軸與分動齒輪箱輸入軸、分動齒輪箱輸出軸與車軸齒輪箱的輸入軸等軸線難以保持在一條直線上，為實現(xiàn)兩軸間的等角速度運動的傳遞，采用了雙十字軸萬向節(jié)。萬向節(jié)與十字軸間安裝的滾針軸承，在傳動軸轉動時，十字軸繞其中心可在任意方向擺動，減少了摩擦損失，提高了傳動效率。十字軸為中空，其內腔儲存的潤滑油通過油路潤滑軸承，確保萬向節(jié)擺動靈活。

2.2 傳動軸伸縮性

由于傳動軸所連接的兩部分相對位置經(jīng)常變化，為避免運動干涉，傳動軸采用了滑動花鍵套和花鍵軸組成的滑動花鍵連接，使傳動軸的長度能隨傳動距離的變化而伸縮。裝配時，花鍵軸與花鍵套間注入潤滑脂，確?；ㄦI軸與花鍵套移動的靈活性。

3 傳動軸裂紋分析

3.1 傳動軸裂紋統(tǒng)計

神維分公司在2012和2013年度年修中發(fā)現(xiàn)的傳動軸裂紋部位見表1，可見:傳動軸法蘭盤根部的裂紋數(shù)量為174處，占裂紋總數(shù)的87.5%:十字軸叉的裂紋數(shù)量為10處，占裂紋總數(shù)的5%;軸管破損或有孔8處，占裂紋總數(shù)的4%:焊縫裂紋5處，占裂紋總數(shù)的2.5%;其它2處，占裂紋總數(shù)的1%。從傳動軸裂紋統(tǒng)計分析來看，法蘭盤根部裂紋是傳動軸裂紋發(fā)生的主要部位。2012和2013年度年修發(fā)現(xiàn)的裂紋傳動軸分布統(tǒng)計見表2。從表2中看出:法蘭盤根部裂紋69根，占裂紋的74.2%:十字軸叉裂紋9根，占9.7%;軸管破損或有孔8根，占8.6%:焊縫裂紋5根，占5.4%;其它2根，占2.1%?？梢?，實際運用中傳動軸裂紋的主要部位是法蘭盤根部的裂紋。

表1 大型養(yǎng)路機械傳動軸裂紋部位分布統(tǒng)計

表2 大型養(yǎng)路機械裂紋傳動軸分布統(tǒng)計

3.2萬向節(jié)傳動軸運動和受力分析

3.2.1 單十字軸萬向節(jié)傳動與附加彎曲力偶矩分析十字軸萬向節(jié)的輸入、輸出軸之間存在α夾角時，輸入軸角速度ω1與輸出軸角速度ω2滿足下式

式中φ1為輸入軸轉角。

由于cos2φ1是周期為2π的周期函數(shù)，所以ω2/ω1也為同周期的周期函數(shù)，若輸入軸角速度ω1保持不變，則輸出軸角速度ω2每周變化2次，因此輸入軸以等速轉動時，輸出軸時快時慢，十字軸的傳動呈不等速性。十字軸萬向節(jié)的輸入、輸出軸轉角間滿足tanφ1= tanφ2cosα，φ2為輸出軸轉角。十字軸萬向節(jié)傳動軸運動如圖5所示，萬向節(jié)傳動的輸入軸和輸出軸的轉角隨兩軸夾角的變化關系如圖6所示。

圖5 十字軸萬向節(jié)傳動軸運動

圖6 輸入軸和輸出軸的轉角隨兩軸夾角的變化關系

當主動萬向節(jié)處于0和π位置時(圖7(a))，由于T1作用在十字軸軸線平面上，故T1必為0;而T2的作用平面與十字軸不共平面，必有T2存在，且矢量T'2垂直矢量T2，合矢量方向為十字軸平面的法線方向，與T1大小相等，方向相反。這樣，從動萬向節(jié)上附加了彎曲力偶矩。當主動萬向節(jié)處于π/2和3π/2位置時(圖7(b))，同理可知T2為0，主動萬向節(jié)上附加了彎曲力偶矩。

圖7 單十字軸萬向節(jié)附加彎曲力偶矩的分析

3.2.2 雙十字軸萬向節(jié)傳動

當輸入與輸出軸之間存在夾角α時，單個十字軸萬向節(jié)的輸出軸相對輸入軸是不等速旋轉的。為使處于同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉，采用了雙萬向節(jié)傳動，同時須保證與傳動軸相連的兩萬向節(jié)叉布置在同一平面內，且使兩萬向節(jié)夾角α1和α2相等。

當輸入軸與輸出軸平行時(圖8(a))，直接連接傳動軸的兩萬向節(jié)所受的附加彎矩彼此平衡，傳動軸發(fā)生圖8(b)所示雙點劃線彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。當輸入軸與輸出軸的軸線相交時(如圖8(c))，傳動軸兩端萬向節(jié)上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發(fā)生圖8(d)所示雙點劃線的彈性彎曲，對兩端的十字軸產(chǎn)生大小相等、方向相反的徑向力，作用在滾針軸承碗的底部，并在輸入軸與輸出軸的支承上引起反作用力。

總之，萬向傳動軸在轉動過程中除傳遞力矩外，還受到附加彎曲力偶矩的交變作用;在結構和制造工藝上，法蘭盤根部是變截面部位，存在因尖角或圓角半徑不夠、加工過程中留下的劃痕、刀痕等產(chǎn)生的應力集中，可能導致傳動軸在交變應力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋。

4 傳動軸裂紋對策

4.1 傳動軸探傷檢測

按照《大型養(yǎng)路機械使用管理規(guī)則》和中國鐵路總公司頒發(fā)的《大型養(yǎng)路機械檢修規(guī)則》的要求，每年年修期間須對大型養(yǎng)路機械傳動軸總成進行探傷檢測、動平衡試驗。由于傳動軸裂紋較多，神維公司和有關鐵路局將情況反映到昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司(以下簡稱昆明中鐵)，并引起PLASSER公司的重視，在2013年5月7—8日，昆明中鐵組織召開了進口PLASSER公司傳動軸質量問題、檢驗標準及驗收條件專題會議，在2014年底昆明中鐵頒發(fā)了《大型養(yǎng)路機械傳動軸磁粉檢測》(QJ/KJ205-21—2014)企業(yè)標準，完善了傳動軸的探傷檢測標準。萬向傳動軸的探傷檢測部位為法蘭盤、萬向節(jié)叉以及重要聯(lián)接焊縫，如圖9所示。

圖8 雙十字軸萬向節(jié)附加彎曲力偶矩的分析

圖9 傳動軸探傷檢測部位

傳動軸探傷檢測應用DCT-3000型或DCT-2000型熒光磁粉探傷機和便攜式交流磁粉檢測儀進行檢測，檢測前要求傳動軸表面沒有臟污以及氧化皮、渣子、銹、油、油脂、電鍍層等，清除以上雜物時應使用機械處理，檢測表面粗糙度應達到Ra6.3。檢測質量驗收要求為缺陷長度記錄極限值≤2 mm;單個缺陷的最大允許長度和現(xiàn)行缺陷的最大允許長度為4 mm，在標準評定框(148 mm×105 mm)內最大允許的累計長度為24 mm，最大允許數(shù)量為7條。神維公司將年修中拆卸下的傳動軸委托給有資質的合作單位進行探傷檢測，篩選存在裂紋的傳動軸，并委外進行修復，且將傳動軸探傷檢測作為大型養(yǎng)路機械年修中一項重要檢測項目，制定了相關的制度來保障有效實施。

4.2 傳動軸法蘭盤技術改進

經(jīng)神維公司統(tǒng)計，傳動軸法蘭盤根部發(fā)生裂紋占傳動軸裂紋的87.5%，法蘭盤根部是傳動軸裂紋的主要易發(fā)部位。通過研究分析，主要從以下方面進行改進:①改進制造工藝，將原來制造毛坯由鑄造件改為鍛造件，強化法蘭盤強度;②改進法蘭盤結構，將法蘭盤凸緣薄弱部位的壁厚由11 mm增大到15 mm，底窩由三棱狀改為球面狀(圖10)，減少材料內部應力集中。通過以上兩項改進有望提高法蘭盤整體的剛性和強度，減少裂紋。

圖10 法蘭盤

2012年3月，改進的傳動軸法蘭盤在神維公司肅寧工務機械段011218號DCL-32搗固車(出廠編號11247)安裝試用，至2014年3月已運用2年，機械工作1 634 h，運行15 867 km，作業(yè)542 km，再次拆卸后對傳動軸探傷檢測均未發(fā)現(xiàn)裂紋，使用效果良好。

4.3 強化傳動軸安裝工藝

由上述分析可見，傳動軸由于其結構和要傳遞動力，運轉過程中法蘭盤受力情況較為復雜，為有效防止傳動軸相對運動部件間早期磨損，減少其產(chǎn)生的裂紋，應正確安裝、使用和維護傳動軸，安裝前須在傳動軸的十字軸、軸承及滑動花鍵處加注二硫化鉬鋰基脂或二號鋰基脂潤滑油脂，須使安裝傳動軸型號與車輛使用型號一致，傳動軸軸管與花鍵滑動叉外表面噴涂的兩個相對應的白色油漆箭頭在一條直線上;安裝時傳動軸伸縮端位于動力輸入端，兩端法蘭盤固定在機械車的規(guī)定位置，法蘭盤端面與安裝面緊密配合，使用10.9級高強度傳動軸專用螺栓和自鎖螺母聯(lián)接，多次輪流緊固，最后螺母M10，M12，M14，M16的緊固力矩分別達到62，110，170和270 N·m的規(guī)定要求。通過嚴格執(zhí)行安裝工藝，避免非正常受力狀態(tài)下所致的傳動軸裂紋發(fā)生。

5 傳動軸維修

由于傳動軸法蘭盤根部裂紋占比高達87.5%，因此，著重對法蘭盤進行檢修，通過更新一端或兩端裂紋法蘭盤，既恢復傳動軸的使用性能，又可減少維修費用支出。為此，研究制定了更換法蘭盤檢修工藝，并在2014年的年修中完成了更換傳動軸法蘭盤。更換法蘭盤檢修中要注意以下工藝要求:

1)探傷檢測花鍵軸、花鍵套、萬向節(jié)叉、十字軸及聯(lián)接焊縫，發(fā)現(xiàn)裂紋時應更換相應零部件或總成。

2)花鍵軸、花鍵套上花鍵部分的徑向圓跳動不應大于0.15 mm，其它部分徑向圓跳動應不大于1 mm，變形超過限度時應調校?；ㄦI軸、花鍵套配合側間隙＞0.3 mm及花鍵齒面嚴重拉傷時，應更換傳動軸。

3)萬向節(jié)叉的兩軸承孔中心軸線與傳動軸軸線的垂直度誤差不應大于0.3 mm。

4)十字軸潤滑油道應保持暢通;軸承安裝面徑向磨耗量超過限度要求時應更換。

5)滾針軸承與十字軸及萬向節(jié)叉軸承孔的配合間隙應符合限度要求，超過時要更換部件或總成。

6)組裝時檢查萬向節(jié)的活動性及各零件配合的精確性。

7)傳動軸組裝后應進行動平衡試驗。傳動軸轉速為3 000 r/min時，每側不平衡量應≤1 290 g·mm，在軸管兩端所焊的校正不平衡量的平衡片數(shù)目，每端不多于3片。平衡后，在兩端的萬向節(jié)叉與花鍵軸、花鍵套上做標記，以便拆裝時保證原來的相對位置。

經(jīng)核算，修理一根傳動軸的平均費用約為2 800元，比新購置傳動軸節(jié)約大量費用。同時，維修中使用經(jīng)過技術改進的新型法蘭盤，提高了傳動軸法蘭盤根部的強度，減少了裂紋傳動軸數(shù)量。通過逐步淘汰舊型法蘭盤可基本解決傳動軸裂紋故障。對于只占少數(shù)比例的其他部位裂紋缺陷經(jīng)分析和測算，經(jīng)濟性不可取，沒有修復必要性，僅采用更換新品的方式。

6 結語

神維分公司在2014年大型養(yǎng)路機械年修中，全面更換新型法蘭盤的傳動軸，修復了69根法蘭盤裂紋傳動軸，并對新發(fā)現(xiàn)的26根法蘭盤根部裂紋傳動軸進行了維修，節(jié)約了大量費用。同時，計劃通過1年使用考驗后，在以后年修中逐步更換舊型法蘭盤?？梢灶A見，通過所述及的措施，可以基本解決傳動軸裂紋故障。

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(責任審編李付軍)

U216.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.40

1003-1995(2015)05-0158-05

2014-12-06;

2015-03-21

林生福(1963—)，男，福建沙縣人，高級工程師。