低地板有轨电车用橡胶联轴器连接盘疲劳失效与优化研究

关云辉,魏世晨,陈瑞兴,宫 峰,刘 莹

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所股份有限公司,江苏 常州 213011)

0 引言

橡胶联轴器在低地板有轨电车应用较为广泛,橡胶联轴器安装在齿轮箱与车轴之间,不仅补偿构架与车轴的相对位移,同时将齿轮箱输出的转矩、转速传递至车轴,从而驱动轮对前进。橡胶联轴器主要可分为两大类:一类为整体橡胶环联轴器,另一类为分体楔形橡胶块联轴器。根据橡胶联轴器应用情况,橡胶联轴器故障多数为橡胶故障,包括橡胶开裂、脱胶、老化等[1]。某型橡胶联轴器在线路运营中发生金属连接盘沿工艺孔断裂故障,为分析失效原因,本文通过断口形貌理化分析,有限元仿真计算,静强度应力对比等方法对该故障深度分析,并提出解决方案。

1 橡胶联轴器结构功能简介

低地板有轨电车驱动系统由电机和齿轮箱组成,电机与齿轮箱刚性连接,有轨电车驱动系统由3个环形节点(齿轮箱侧1个,电机侧2个)架悬组装在构架上;橡胶联轴器安装在齿轮箱与车轴之间,传递电机经过齿轮箱输出的转矩和转速,从而驱动轮对前进[2],同时补偿齿轮箱与车轴的相对位移。

橡胶联轴器由车轮侧半联轴器和齿轮箱侧半联轴器两部分组成,如图1所示。车轮连接盘卡爪、中间轴卡爪交错与橡胶环配合安装,通过紧固件组成车轴侧半联轴器。外连接盘卡爪、齿轮箱连接盘卡爪交错与橡胶环配合安装,通过紧固件组成齿轮箱侧半联轴器。其中,车轮连接盘与车轴刚性连接,齿轮箱连接盘与齿轮箱输出轴刚性连接。橡胶联轴器工作时,橡胶环发生偏转,以补偿车轴与齿轮箱输出轴相对位移。

1—车轮侧半联轴器;2—齿轮箱侧半联轴器;3—外连接盘;4—齿轮箱连接盘;5—橡胶环;6—橡胶环;7—中间轴;8—车轮连接盘。

橡胶联轴器在有轨电车运用过程中,发现外连接盘沿工艺孔断裂,故障形式如图2所示。为分析外连接盘断裂失效原因,对其断口形貌进行理化分析,同时利用有限元软件校核计算外连接盘强度。

图2 外连接盘断裂形式

2 外连接盘失效分析

2.1 断口形貌分析

外连接盘失效断口形貌如图3所示,断口符合低周高应力疲劳断裂特征,裂纹源起始于工艺通孔加强筋侧孔口内壁过渡倒角的较大毛刺缺陷处。造成疲劳断裂的主要因素有2点:一是工艺通孔加强筋侧孔口处有尖角,存在应力集中;二是在加强筋侧孔口遗留了较大尺寸毛刺,使得该处应力集中系数显著增加。外连接盘在服役过程中,裂纹源沿尖角、毛刺发生开裂,经过延伸扩展,直至外连接盘断裂。

图3 外连接盘断口形貌

2.2 强度校核

由于橡胶联轴器是由橡胶环和4个连接盘组成的弹性体,橡胶联轴器在工作时,橡胶环变形是非线性的,橡胶分析模型采用Mooney-Rivlin模型[3-4]。橡胶应变能密度W函数表示为:

(1)

式中:C10、C01均为力学性能常数;I1、I2均为应变不变量;J为弹性体积比;D1为定义材料的压缩性。

2.2.1有限元建模

由于橡胶联轴器各部分关联性较强,为准确计算分析外连接盘强度,将橡胶联轴器系统在有限元软件中建模。利用有限元软件对橡胶联轴器系统模型进行网格划分,橡胶联轴器计算模型采用四面体与六面体混合网格划分,计算模型如图4所示。其中,节点总数为145 680,单元总数为285 430。

图4 橡胶联轴器计算模型

2.2.2材料属性及边界条件

橡胶联轴器主要包括4个连接盘和2个橡胶环。连接盘材料均为42CrMo4:密度为7.8×103kg/m3,杨氏模量为210 GPa,泊松比为0.3,屈服强度不小于900 MPa。由铝块和橡胶块整体硫化得到橡胶环,其中铝块采用7075铝合金:密度为2.81×103kg/m3,杨氏模量为71 GPa,泊松比为0.3,屈服强度不小于190 MPa。橡胶材料参数如下:C10=0.738 5,C01=0.410 3,D1=0。

边界条件:约束空心轴轴承装配面除绕轴旋转外所有自由度,约束齿轮啮合位置绕轴旋转自由度,在车轴连接盘安装面上分别施加扭矩、径向位移以及轴向位移,如图5所示。

图5 橡胶联轴器计算边界条件及载荷

2.2.3橡胶联轴器计算结果

利用有限元软件,计算橡胶联轴器在径向位移为10.8 mm,扭矩为6 283 N·m(对应输入端扭矩为1 042 N·m),轴向位移为5 mm三种载荷不同组合工况下受力情况,组合计算工况如表1所示。

表1 橡胶联轴器组合计算结果

2.2.4外连接盘应力分析结果

经过计算,得到在各个工况下外连接盘受力情况,在工况8外连接盘应力最大,最大应力为689.6 MPa,外连接盘最大应力位置在其工艺孔口处,外连接盘在该组合下应力云图如图6所示。

图6 外连接盘工况8应力云图

结合FKM—2012《Analytical strength assessment of components in mechanical Engineering》规范,材料循环利用度为:

(2)

式中:σa,1为最高应力幅;σBK为相关构件的变幅疲劳强度;jD为总安全因子。

根据外连接盘在不同工况下的应力结果,同时考虑外连接盘结构尺寸及表面粗糙度的影响,总安全因子jD取1.25,利用FKM规范完成外连接盘的疲劳强度评估,经过评估计算,橡胶联轴器外连接盘工艺孔口部位材料疲劳强度利用率为1.80,大于1,外连接盘工艺孔口疲劳强度不满足应用要求;同时发现外连接盘工艺孔口加强筋部位有应力集中,应力集中部位与外连接盘断裂部位吻合,如图7所示。

图7 外连接盘材料疲劳强度利用率云图

综合分析,橡胶联轴器外连接盘结构设计不合理,在工艺孔口处存在应力集中,并且外连接盘工艺孔口材料疲劳强度最大利用率大于1,橡胶联轴器外连接盘疲劳强度不满足该有轨电车运行要求,因此外连接盘在工艺孔口发生断裂失效。

3 外连接盘优化技术方案

3.1 外连接盘结构优化

根据外连接盘失效原因,从以下几个方面对外连接盘结构进行优化,以消除应力集中。

1)填平工艺孔周边的台阶结构,去除小的台阶结构。

2)锐棱圆角处理。

3)将工艺通孔的加工及倒角要求在图纸上明确说明并作为严控的工艺项点。

外连接盘结构优化前后对比如图8所示。

图8 外连接盘结构优化前后对比图

3.2 优化外连接盘强度校核

利用有限元软件,按照2.2章节计算过程,校核计算优化后外连接盘疲劳强度。优化后外连接盘组合计算工况如表2所示。

表2 优化后橡胶联轴器组合计算结果

对比外连接盘优化前后的疲劳强度计算结果,发现在各个计算工况下,优化后外连接盘最大应力较优化前外连接盘最大应力大幅降低。优化后外连接盘在组合工况8下,最大应力为353.0 MPa,最大应力较优化前降低了48.8%。优化后外连接盘该组合工况下应力云图如图9所示。由云图发现优化后外连接盘没有原始外连接盘工艺孔口应力集中的缺陷。

图9 优化后外连接盘工况8应力云图

根据优化后外连接盘在不同工况下的应力结果,结合FKM规范计算得到外连接盘材料疲劳强度利用率云图,如图10所示。由计算结果可知,外连接盘材料疲劳强度最大利用率为0.92,小于1,同时优化后外连接盘没有原始外连接盘工艺孔口应力集中的缺陷。通过计算分析,外连接盘通过结构优化可以解决原始外连接盘沿工艺孔口断裂故障。

图10 外连接盘材料疲劳强度利用率云图

4 试验验证

为验证优化后的外连接盘不存在应力集中,且外连接盘疲劳强度满足橡胶联轴器应用要求,开展了外连接盘旋转疲劳试验和装车考核试验。

4.1 外连接盘旋转疲劳试验

为验证优化外连接盘疲劳性能,对其进行1 000万次旋转疲劳试验。疲劳试验台见图11,将装有橡胶联轴器的试验齿轮箱通过试验工装分别与驱动电机及负载电机相连接,通过调节驱动电机与负载电机的转速及扭矩,实现对橡胶联轴器的加载试验[5]。

图11 旋转疲劳试验台

外连接盘经过1 000万次疲劳试验后,对其进行磁粉探伤,如图12所示。优化外连接盘疲劳试验后外表面及工艺孔口未发现磁痕积聚现象,无裂纹缺陷,质量合格。

图12 优化外连接盘磁粉探伤

4.2 外连接盘装车考核试验

优化外连接盘应力测试试验和旋转疲劳试验合格后,对4个优化后外连接盘样品进行装车考核试验。装车试验分3个阶段:厂内50 km空载调试试验,AW3重载工况正线线路100 km运行试验和线路载客运行10万km试验。优化外连接盘经过厂内空载调试和正线线路重载试验后,检查橡胶联轴器整体运行状态良好,紧固螺栓防松标记完好,外连接盘外观表面状态良好。

优化外连接盘通过重载试验后,进行线路运营考核,线路运营里程超过10万km,橡胶联轴器整体运行状态良好,外连接盘未发生断裂故障。橡胶联轴器运营考核后状态如图13所示。

图13 运营考核后橡胶联轴器状态

5 总结

针对橡胶联轴器原始外连接盘结构设计不合理、外连接盘在工艺孔口存在应力集中、其疲劳强度较低等问题导致的断裂失效故障,对外连接盘结构

进行优化,去除应力集中结构,锐棱圆角处理,对工艺孔口倒角进行处理;并对优化的外连接盘进行强度校核,疲劳强度满足设计要求。对优化外连接盘样件进行旋转疲劳试验和装车考核试验验证,外连接盘沿工艺孔口无裂纹,橡胶联轴器整体状态良好。

综上所述,通过优化外连接盘结构从根源上解决了外连接盘沿工艺孔断裂故障,优化后的外连接盘满足有轨电车车辆应用要求。同时该故障的解决,对后续连接盘的设计和应用均有十分重要的参考价值。