DF4D型內燃機車從動齒輪驅動軸承密封環螺栓斷裂故障的分析和改進

張東升

（鄭州鐵路局 鄭州機務段，河南鄭州450000）

DF4D型準高速內燃機車牽引電動機懸掛驅動裝置采用輪對空心軸全懸掛方式、雙級六連桿驅動機構。驅動機構由空心軸套、主動齒輪、從動齒輪、齒芯、驅動軸承、空心軸萬向機構等組成。電動機通過兩個后吊和一個長臂剛性懸掛在轉向架上。這種懸掛方式因簧下質量較小，有利于機車高速運行。其中從動齒輪驅動軸承密封設計采用軸向非接觸迷宮方式，目的是防止機車高速運行時潤滑油脂泄露，并防止灰塵、切屑微粒及其他雜質和油水的侵入。

1 問題的提出

鄭州機務段配屬DF4D型機車29臺，近兩年在日常小、輔修及中修時共發現18起輪對驅動軸承密封環2螺栓斷裂故障，該故障比例占該型機車的62%。

該螺栓一旦斷裂，密封環2與齒芯配合的穩定狀態就會遭到破壞，勢必影響到密封環2對驅動軸承的定位作用，如不及時處理，將會導致驅動軸承軸向竄動并發熱燒損，影響行車安全。

2 原因分析

2.1 結構設計分析

每個密封環2均由3組6條M12×1.5×50六角頭螺栓通過密封環2擋孔與齒芯配合面螺孔連接后進行緊固，該螺栓采用材料為42CrMo，強度等級為10.9級。根據《DF4D型準高速內燃機車檢修手冊》輪對（全懸掛）裝配工藝規定：每組兩條螺栓用60～70N·m鎖緊力矩緊固后，再把止動墊片翻邊進行防緩 ，使密封環1與密封環2圓周槽底與槽頂配合形成軸承的迷宮油封，密封環擋圈則對驅動軸承起壓緊定位作用。為保證螺栓緊固后密封環1、2壓緊驅動軸承內、外圈，在裝配設計時，在密封環1與空心軸套、密封環2與齒芯止口表面配合處設計保留0.2～0.5mm間隙，以檢查確認密封環擋圈對軸承的壓緊定位作用，見圖1。

圖1 密封環裝配結構示意圖

2.2 解體檢查分析

對解體后取出的兩條斷裂螺栓殘余部分進行了外觀檢查，并經與同規格新螺栓對比后發現：

（1）兩條螺栓斷裂殘余部分長度分別是33.5mm和50mm左右。

前者裂斷面的起始應力處于螺紋收尾處與螺栓光桿的過渡部分，且應力裂口處有銹蝕痕跡，斷口不平滑，呈顯著韌性斷裂特征，即斷面中心為環錐狀纖維斷口；斷面邊緣部分存在有兩處與拉伸軸大致成45°角的剪切斷口，斷口較明亮，斷口側面最低處附近有裂斷點，可看到明顯宏觀塑性變形痕跡；

后者斷裂面的起始應力處于螺栓的六角頭部與螺栓光桿過渡部分，斷口較平滑，斷口邊緣剪切唇口較小，無明顯塑性變形，斷口稍顯灰暗，但仍亮于殘余長度為33.5mm螺栓斷口，斷口表面宏觀浮雕呈放射狀人字紋，斷口整體特征呈脆性斷口的宏觀特征，且后者在螺紋收尾處與螺栓光桿的過渡部分亦發現螺紋旋轉擠壓留下的應力切痕。

（2）螺栓六角頭部與光桿過渡圓弧R按標準至少要達到0.6mm，但實際僅有0.2mm，螺栓受力后勢必產生集中應力。

（3）密封環2擋孔厚度測量為15mm，加上厚度為1.0mm的止動墊片和與齒芯螺孔表面0.2～0.5mm間隙，即該距離與螺栓頭部至16.5mm螺栓光桿長度基本吻合，這樣就增大了螺栓螺紋收尾處與螺孔牙尖旋轉擠壓的幾率。

2.3 螺栓預緊力分析

螺栓預緊力F0的大小

通過擰緊力矩來控制設計及裝配緊固螺栓連接時，應使其具有足夠的預緊力，以確保連接的可靠性。預緊力過小，將使接合面在外載荷作用下松動；但過大，又會使螺栓在裝配過程中或偶然過載情況下拉斷。因此，設計時應根據工作需要，并在螺栓強度條件允許的前提下，選用適當的預緊力。

通常規定擰緊后螺紋連接件的預緊應力小于材料的屈服極限。

一般規定：擰緊后的螺紋連接件的預緊應力σ不得大于其材料屈服點σs的80%。

根據機械設計手冊，查表知螺栓材料42CrMo的屈服極限σs為930MPa，則σ＜930×80%=744MPa，即螺栓材料的許用應力［σ］=744MPa。

預緊力、緊固力矩、緊固力矩系數、螺紋公稱直徑存在關系如下：

式中T為緊固力矩，N·m；Kt為緊固力矩系數；F0為預緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

對于標準螺紋件和常見的摩擦狀況，Kt值常在0.1～0.3之間，一般可取Kt=0.2，即T=0.2F1·d；則

根據工藝規定取鎖緊力矩上限T=70N·m，d=12mm代入公式（2）中計算出：29 167N。

2.4 螺栓強度校核計算

螺栓在預緊力F0作用下，產生拉伸應力σ，則

式中d1為螺栓螺紋小徑。

根據普通螺紋基本尺寸表（GB196-81），查出M12×1.5螺栓螺紋小徑d1=10.376mm，將d1、F0值代入公式（3）

計算出：σ=345MPa。

因為螺栓材料是塑性的，受拉伸和扭轉復合應力τ，對M10～M16普通螺紋的鋼制螺栓和螺母由機械設計手冊查得：

根據第四強度理論，螺栓在預緊狀態下的計算應力為：

所以，緊固螺栓雖然受拉伸和扭轉的聯合作用，但在強度計算時，仍可按純拉伸計算，這時需要將所受的拉力增大30%，以考慮扭轉的影響。

故螺栓危險截面的拉伸強度條件的校核式為：

即σca=449MPa，根據已知［σ］=744MPa，則σca≤［σ］。

2.5 螺栓力矩計算

對于重要的螺紋連接，必須有一套控制和測量預緊力的方法。

根據力矩法用力矩扳手正規測定擰緊力矩時的公式：

式中Tf為力矩扳手所需指示值，N·m；σs為螺栓材料的屈服點，MPa；A1為螺紋小徑應力截面積，mm2，其中

根據中國北車集團大連機車車輛有限公司企業標準（編號DL44006-2009）常用螺栓緊固力矩的一般規定中表1（常用螺栓緊固力矩對照值），查出性能等級10.9級M12的螺栓緊固力矩范圍為101～114N·m，推薦值為105N·m。計算出的Tf=113N·m在該緊固力矩范圍內，且計算出在該力矩作用下：

通過以上對該螺栓材料的強度分析、預緊力校核、強度計算及力矩計算，可以說明：

螺栓斷裂不是材料強度不足造成，而與螺栓預緊力不當有關。即按工藝規定的扳手緊固力矩不足，螺栓強度條件不能充分發揮，螺栓產生的預緊力過小，同時將使螺栓在外載荷作用下產生松緩的幾率加大，接合面連接的可靠性得不到保證。

通過上述分析，密封環螺栓頻繁發生斷裂的根本原因是：

（1）密封環2螺栓第一次按規定力矩緊固時，由于螺栓緊固力矩不足，導致螺栓預緊力過小。密封環2擋孔厚度等因素造成的螺栓螺紋旋合至螺紋收尾處時，由于螺紋的消失，就與齒芯螺孔牙尖咬合而在螺桿上產生旋轉擠壓應力，并造成螺栓已緊固的假象。

（2）由于螺栓并未真正緊固，則可能在螺栓六角頭部與止動墊片及密封環2壓接配合面之間存在間隙。

（3）機車運行時，輪對要承受來自線路不平順時各種方向的沖擊和振動，這種沖擊和振動是反復的、持續的，則不可避免將這種振動和沖擊傳至驅動裝置各部件，尤其是緊固件；機車在曲線上運行時輪對和車軸還要帶動空心軸產生橫移（相對于空心軸套軸向移動），由于空心軸與齒芯傳力銷相連接，則齒芯密封環就通過驅動軸承相對于空心軸套產生軸向力和軸向支反力，加之（1）、（2）條原因產生的擠壓應力和間隙沖擊隱患，則加劇了機車運行中驅動裝置高速旋轉產生的振動對密封環2螺栓的影響，螺栓的軸向抗拉強度及抗扭轉剪切強度就會因應力疲勞遭到破壞而大打折扣。

這種因螺栓結構設計不周，在螺紋收尾處和六角頭部與螺桿過渡R處應力過度集中而產生的裂紋，加之使用時由于疲勞或應力銹蝕產生的裂紋，這種裂紋在遠低于屈服強度的應力下逐漸擴大，最后導致螺栓無論從六角頭部產生的脆性斷裂或者從螺紋收尾處產生的韌性斷裂也就在所難免。

3 改進措施

廠方對斷裂螺栓認定后，基本認可機務段方的分析，與機務段方一起制定了螺栓的改進方案如下：

（1）改進螺栓設計結構參數：在螺栓六角頭與光桿過渡處加大了圓弧過渡角，由原來的R0.2改為R0.8，以減小和消除該部位應力集中；將螺紋收尾改為退刀槽，在螺桿與螺紋退刀槽處進行了減徑過渡和縮短了光桿長度，以消除裝配時的螺紋擠壓應力。如圖2所示。

圖2 螺栓

（2）提高和改善螺栓材料的熱處理、力學性能、硬度及耐蝕性等指標，以適應機車在各種惡劣自然環境條件的線路上運用。

（3）發生螺栓斷裂的輪對驅動裝置進行返廠修，密封環2螺栓全部更換為改進后的螺栓，并按螺栓材料及10.9級強度級別嚴格控制緊固力矩。此外，機車進入輕大修和大修時，密封環螺栓也全部更換為改進后的螺栓。

鄭州機務段對改進密封環2螺栓后的DF4D型機車進行了跟蹤觀察，未發現該螺栓再次斷裂故障。

［1］大連機車車輛廠.東風4D型準高速內燃機車檢修手冊［R］.2003.

［2］唐金松.簡明機械設計手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2000.

［3］王 金，李桂華.機械設計手冊（3），第25篇連接與緊固［M］.北京：機械工業出版社，2001.