K13石碴漏斗車牙嵌離合器斷裂的原因及預防措施

摘 要：離合器是K13石碴車卸貨傳動系統中，風動與手動相互轉換的重要零件，其受力很大，極易損壞，以前制造的離合器有多個缺陷。經過改進后，效果很好，離合器破壞的情況幾乎沒再發生，使用單位反映很好。

關鍵詞：石碴車；離合器；破壞；改進

K13石碴漏斗車主要用于鐵路線路的路基維修時鋪設石碴，K13石碴漏斗車裝有風手動開門機構，牙嵌離合器是風手動開門機構方式轉換的重要零件。我廠生產該種車型已有近20年的歷史，通過用戶反饋及與用戶的溝通，了解到K13石碴車離合器的損壞現象比較普遍，影響了車輛的正常使用。

1 牙嵌離合器的破壞形式

據我們到用戶現場調研，牙嵌離合器的損壞主要發生在兩個部位，一處是發生在牙齒的根部斷裂，從斷裂牙齒外觀看，嚙合牙齒在嚙合面的接觸面積很小，磨損后的接觸面積占嚙合面面積的不足10%，而其他牙齒相應的嚙合面根本看不出磨損的痕跡，從這種狀態看離合器在工作中只有一個牙齒工作，而其他兩齒根本沒有參與工作；另一處是在其鍵槽的尖端部位開始出現裂紋，隨著不斷的使用，裂紋不斷地延伸直至貫通，嚴重的隨之斷為兩半。這兩種破壞現象往往出現在投入運用不久，時間長的也不過一年半載，因此這兩處的破壞形式都不是屬于疲勞破壞，牙嵌離合器的幾何形狀和其發生斷裂的部位見圖1。

圖1

2 牙嵌離合器斷裂的原因

一般情況下，導致零件斷裂的原因都是多方面的。但就牙嵌離合器兩種斷裂情況，通過對運用現場牙齒的破壞情況進行調研、分析，認為它的破壞原因主要有以下幾個方面。

2.1 針對兩種破壞形式

2.1.1 就第一種斷裂形式看主要是由于機械加工時，角度的分度誤差，導致牙齒在圓周的分布不均，加之牙齒的加工都采用較大的下偏差，離合器離合時，顯現不出來牙齒的加工誤差，而當離合器閉合使用時，有的牙齒頂部某處發生點接觸或線接觸或很小的面接觸（見圖2），而其他牙齒齒面根本不接觸，或大或小都有間隙，這樣就導致與接觸部位牙齒根部的應力過大，超過金屬的強度極限，致使牙齒斷裂。

圖2

2.1.2 就第二種斷裂形式看主要是由于該零件的結構要素不足。由圖1可見牙嵌離合器的外形呈階梯圓臺狀，其中尺寸ф80mm處是用于安裝撥叉，其壁厚為10mm。因為該件在軸上需要滑動，且要傳遞扭矩，因此在它的內壁又加工出一條深4mm的鍵槽。這樣壁厚最薄處正如A-A剖面所示，僅為6mm，客觀上已造成了結構要素尺寸偏小的先天不足。尤其是縱向鍵槽的存在，其鍵槽清角處無疑要引起應力集中。這種應力集中將大大的削弱了該處的強度。當搬動撥叉使牙嵌離合器與相嚙合件接觸時，引起一定程度的沖擊碰撞，這種附加載荷與傳遞扭矩時的工作載荷聯合作用下，進一步引發鍵槽清角處的應力集中，加劇了尖端處的應力，致使該處強度不足產生裂紋。如果無鍵槽清角的應力集中就工作載荷和附加載荷的聯合作用下是不足以使牙嵌離合器產生破壞的，這兩種載荷的合成載荷并不是很大的。因此說應力集中是造成應力強度不足的主要原因。

2.2 牙嵌離合器的材質缺陷

牙嵌離合器的材質缺陷是促使其破壞的主要原因，根據零件圖查知，該零件的材質為球墨鑄鐵，牌號為QT40-10。鑄鐵為脆性材料，它的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性均較為低下，其延伸率：10，沖擊韌性：3kgm/cm2，盡管這種材料也經常被用于離合器這類零件，但在這種結構要素尺寸偏小，而應力集中又較大的情況下選用這種脆性材料是不足取的。因為這種情況下，脆性材料的低韌性特點被被突現出來，這對本來就已強度不足的零件來說，無異于產生不利影響加劇零件的損毀。

從牙嵌離合器的破壞形式和上面簡述的分析原因，可以說該件的破壞是材料的一種近似于低應力的脆斷現象。此外冬季的低溫作用也降低了材料的韌性；毛坯在澆鑄時產生的組織缺陷也是構成零件發生斷裂的因素。

3 防止牙嵌離合器斷裂的措施

從上述分析中可以看出造成兩種牙嵌離合器斷裂的原因主要都有兩條：

（1）第一種斷裂形式，一是加工誤差，其次是材質韌性偏低，針對這些原因。首先應解決材料韌性問題，適當選用韌性較球墨鑄鐵好的材料來加工該件，則可直接解決低應力脆斷問題。將該件的材質由原來的QT40-10球墨鑄鐵改為鑄鋼25#，鑄鋼25#其延伸率：20，是QT40-10的2倍；沖擊韌性：4.5kgm/cm2，是QT40-10的1.5倍。選用鑄鋼25#制作牙嵌離合器，其機械性能優于球墨鑄鐵，這樣可以避免改變結構要素所帶來的弊端。當然如果采用相應鋼號的鍛鋼，同樣也是可取的，甚至在少量生產K13石碴漏斗車時更是顯得經濟實用。

其次是改進加工過程中的工藝設備，采用先進機床加工，以往是在普通銑床加工牙嵌離合器的牙齒，采用圓周分度精度較高的數控銑床加工牙嵌離合器牙齒，同時加強操作者的責任心，進行精細操作，牙嵌離合器加工質量定會很高。

（2）第二種斷裂主要是因為結構要素尺寸偏小和材料韌性偏低問題。材料韌性偏低問題已在上面陳述過，不在重復。解決結構要素尺寸偏小問題，可采取以下兩種措施。一是增大有影響的幾個幾何尺寸，增大該件的ф80mm、ф100mm這兩個尺寸，通過加大零件的幾何尺寸，提高強度儲備以抵消應力集中的影響。但這樣勢必增加零件的重量，并且相應對撥叉也要進行改進。另一措施是將結構要素的導向鍵改為滑動花鍵聯接，這樣減小鍵槽的幾何尺寸，降低應力的過分集中，同時也將會分散所傳遞的扭矩，減緩工作負荷的作用。當然這種鍵聯接方式的改變，加大了加工工藝復雜性，在經濟上是不劃算的。

（3）牙嵌離合器斷裂問題發生后，經過探討與研究，我們采取的措施是：將零件材質為QT40-10的球墨鑄鐵改為鑄鋼25#；改變加工工藝，采用數控銑床加工牙齒。嚴格鑄造工藝，避免產生鑄造缺陷

改進后，經過一段時間的運用，再到使用現場實地考察，嚙合面的接觸狀態明顯好轉，接觸面積占牙齒嚙合齒面面積都在65%以上，鍵槽清角裂紋問題也得以解決，牙嵌離合器再無斷裂現象的發生，車輛的使用性能得以充分發揮，使用單位反映很好。