王鵬川,郭其超,金思勤,宮 峰,蔣二夢

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

基金項目：國鐵集團科技研究開發(fā)計劃項目(K2021J045)。

近年來,隨著大批量的動車組陸續(xù)進入檢修周期,檢修市場逐步擴大,為提高企業(yè)競爭力,檢修成本的控制越來越受到重點關(guān)注,其中減少偶換件的更換率是降低檢修成本的重要手段。某動車組齒輪箱大端車輪側(cè)的密封蓋作為偶換件因檢修拆解受力易產(chǎn)生嚴(yán)重變形而報廢,增加了檢修成本,由于齒輪箱進入檢修周期的時間較短,很多檢修相關(guān)的問題處于邊發(fā)現(xiàn)邊解決的階段,該方面的研究相對較少,因此本文針對該問題開展了對比試驗以確認(rèn)密封蓋的變形程度,說明了密封蓋發(fā)生變形后繼續(xù)使用帶來的相關(guān)風(fēng)險,對變形的原因進行了理論計算和仿真分析,并以此提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,從理論計算、仿真分析和對比試驗3個方面確認(rèn)了優(yōu)化方案的可行性。

1 變形確認(rèn)與影響分析

1.1 變形過程

齒輪箱車輪側(cè)擋水環(huán)和密封蓋的位置如圖1所示,擋水環(huán)和車軸之間為過盈連接。分解檢修時需將齒輪箱吊至車架上,首先拆除密封蓋上的連接螺栓M12×35,然后交替擰緊密封蓋上的4個對稱布置的頂出螺栓M12×50,保證各頂出螺栓均勻受力,避免拉傷車軸,通過密封蓋將擋水環(huán)緩慢頂出,如圖2所示。在拆解過程中,密封蓋的頂出孔部位承受4個頂出螺栓的壓力,右側(cè)端面與擋水環(huán)接觸部位承受擋水環(huán)脫離車軸帶來的壓力,拆解時發(fā)現(xiàn)密封蓋異常變形。

圖1 車輪側(cè)結(jié)構(gòu) 圖2 拆解過程

1.2 試驗確認(rèn)

為了進一步確認(rèn)密封蓋變形的程度,選取新的密封蓋和擋水環(huán)組裝到齒輪箱上,測量組裝前和拆解后密封蓋的3個平面度進行對比,測量位置和三坐標(biāo)測量如圖3、圖4所示,測量結(jié)果如表1所示。從表1可以得出,測量位置1的平面度增大507.1%,測量位置2的平面度增大93.4%,測量位置3的平面度增大185.9%,增大幅度較高,且測量位置1和3拆解后的平面度不符合要求值,密封蓋發(fā)生異常變形。

表1 密封蓋平面度測量結(jié)果

圖3 平面度測量位置 圖4 三坐標(biāo)測量

1.3 影響分析

迷宮密封作為一種經(jīng)典的密封方式被廣泛應(yīng)用在工業(yè)齒輪箱、軌道交通齒輪箱和風(fēng)電齒輪箱等傳動設(shè)備上。齒輪箱的密封蓋與密封圈、擋水環(huán)之間通過若干密封直齒或錐齒相互交叉排列在旋轉(zhuǎn)軸的周圍,形成若干膨脹空腔及截流間隙,被密封的流體或氣體通過這些空腔與間隙的時候產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng),從而達(dá)到阻止泄漏、實現(xiàn)密封的目的[1],密封蓋發(fā)生過大變形后,會導(dǎo)致迷宮密封的間隙不符合設(shè)計要求,存在潤滑油滲出的風(fēng)險,影響齒輪箱的使用性能,甚至出現(xiàn)組裝干涉的現(xiàn)象。此外,密封蓋發(fā)生變形后,由于內(nèi)部變形不均勻,位錯、空位等晶體缺陷增多,內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力,通常殘余內(nèi)應(yīng)力會影響材料的疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力和形狀尺寸的穩(wěn)定性等,直接影響材料的使用壽命和安全性,嚴(yán)重時可導(dǎo)致零件局部塑性變形失效,存在零件開裂的風(fēng)險[2]。因此,密封蓋發(fā)生過大異常變形后,必須進行更換,增加了檢修成本。

2 變形原因分析

2.1 受力計算

運用圓柱面過盈連接的設(shè)計準(zhǔn)則對車軸和擋水環(huán)的頂出力進行分析計算[3],其中擋水環(huán)為包容件,車軸為被包容件,對包容件和被包容件的模型做等效簡化,包容件與被包容件間的過盈量取最大值進行計算,各項設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 擋水環(huán)與車軸過盈配合參數(shù)

相關(guān)有效超量

(1)

輔助系數(shù)

(2)

實際最大結(jié)合壓力

(3)

擋水環(huán)需要的最大頂出力

F=π·DF·LF·v·pmax=40.62 kN

(4)

2.2 仿真分析

密封蓋的三維模型在Pro/E中建立,為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,所有幾何特征均予以保留,對幾何模型進行網(wǎng)格劃分,最小單元1 mm,最大單元10 mm,有限元模型中共包含單元429 358個,節(jié)點241 014個。在密封蓋與擋水環(huán)的作用線上施加拔出力,在4個頂出螺栓的位置施加約束,進行有限元分析,計算頂出力為40.62 kN時密封蓋的應(yīng)力及變形情況,計算所得密封蓋的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖5、圖6所示。結(jié)果表明最大應(yīng)力值為746.2 MPa,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料的屈服應(yīng)力355.0 MPa,密封蓋發(fā)生塑性變形失效,最大位移值達(dá)到0.267 mm,密封蓋局部結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲變形。

圖5 密封蓋優(yōu)化前應(yīng)力云圖

圖6 密封蓋優(yōu)化前變形云圖

從仿真結(jié)果可以看出,螺栓頂出端面受力過大,導(dǎo)致密封蓋與擋水環(huán)的作用面上的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過屈服極限,導(dǎo)致密封蓋發(fā)生異常變形。影響頂出力的參數(shù)如表2所示,與車軸有關(guān)的參數(shù)DI、DF、RZI由客戶確定,不宜變動;彈性模量、泊松比、沿縱向打滑耦合系數(shù)是材質(zhì)的固有屬性,目前的材質(zhì)具有成熟運用經(jīng)驗,不建議更改;擋水環(huán)的粗糙度RZA與車軸相同,機加工要求較高,不宜再減小;擋水環(huán)是自制件,對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,簡單高效,因此擋水環(huán)的等效外徑DA和結(jié)合長度LF是可以優(yōu)化的參數(shù)。

3 優(yōu)化方案

結(jié)合受力分析及仿真計算結(jié)果對密封蓋和擋水環(huán)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對于密封蓋,在薄弱位置增加厚度,以提高其結(jié)構(gòu)強度,并針對擋水環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化做適應(yīng)性地調(diào)整;對于擋水環(huán),在保證不會與車軸脫離的前提下,減小等效外徑DA和結(jié)合長度LF,以減小擋水環(huán)所需的頂出力。優(yōu)化后擋水環(huán)有效外徑DA為220.75 mm,結(jié)合長度LF為14 mm,其他參數(shù)與表2相同。擋水環(huán)和車軸發(fā)生分離時的圓周速度

擋水環(huán)在最大運營時速下的圓周速度u=25.25 m/s

圖7 密封蓋優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖8 密封蓋優(yōu)化后變形云圖

使用優(yōu)化后的密封蓋和擋水環(huán)組裝到齒輪箱上,通過密封蓋頂出擋水環(huán),測量密封蓋拆解前后的平面度進行對比,測量數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以得出,測量位置1的平面度減小3.1%,測量位置2的平面度增大5.3%,測量位置3的平面度減小2.4%,平面度變化很小,考慮到測量誤差,可認(rèn)為密封蓋沒有發(fā)生變形,3個部位的平面度測量值基本無變化,且3個測量位置的平面度都符合要求值。試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致,密封蓋和擋水環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了密封蓋異常變形的問題,密封蓋在頂出擋水環(huán)后可繼續(xù)使用,避免了密封蓋的報廢,降低了檢修成本。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后平面度測量結(jié)果

4 結(jié)論

(1)齒輪箱檢修時通過密封蓋頂出擋水環(huán),拆解時密封蓋易發(fā)生異常變形,試驗確認(rèn)位置1和3的平面度超出限值,若繼續(xù)使用,存在組裝干涉、潤滑油滲出和零件開裂的風(fēng)險,因此需要報廢處理,增加檢修成本。

(2)對原結(jié)構(gòu)密封蓋、擋水環(huán)進行受力計算和仿真分析,結(jié)果表明密封蓋承受的頂出力過大,最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料的屈服極限,導(dǎo)致局部應(yīng)變過大,易引起密封蓋異常變形。

(3)優(yōu)化密封蓋和擋水環(huán)結(jié)構(gòu),薄弱位置增加厚度,減小等效外徑和結(jié)合長度,計算結(jié)果表明密封蓋承受的頂出力顯著減小,仿真分析和試驗結(jié)果均表明優(yōu)化后密封蓋異常變形情況得到了有效控制,避免密封蓋的報廢,可以有效降低檢修成本。