HXD3型電力機車牽引電機軸斷裂的原因分析和改進措施

李　霞

(鄭州鐵路局　洛陽機務段， 河南洛陽 471002)

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HXD3型電力機車牽引電機軸斷裂的原因分析和改進措施

李霞

(鄭州鐵路局洛陽機務段， 河南洛陽 471002)

對洛陽機務段HXD3機車牽引電機軸在運用中出現的斷裂問題進行了調查，從電機軸探傷工藝、電機軸強度校核及檢驗等方面進行了深入研究，分析了造成電機軸裂紋的主要原因，也提出了相應的改進措施。

HXD3型電力機車; 牽引電機; 軸; 斷裂; 原因分析; 改進措施

洛陽機務段配屬的HXD3機車266臺，2013年以來共發生2臺機車2臺牽引電機軸斷軸故障(如圖1：HXD3 0357機車M1電機軸斷裂)。為防止事故，洛陽機務段和國內兩個電機制造公司(簡稱為A、B公司)通過開齒輪箱蓋對牽引電機軸進行超聲波探傷的方式，發現傳動端軸有疑似裂紋的共14臺機車、19臺電機，對出現異常波形的電機進行返廠復測。牽引電機軸斷裂故障威脅運行安全，面對這種批量出現的問題，亟待找到真正原因。

圖1　HXD3 0357機車M1電機軸斷裂面

1　多方面調查

通過觀察以上斷裂牽引電機軸及裂紋尺寸測量，發現牽引電機軸斷面均為疲勞斷裂，軸斷裂位置為電機軸與主動齒輪配合的倒角根部接觸處，對照檢修過程中對電機軸磁粉探傷發現的裂紋情況(見圖 2)，認為初期疲勞裂紋位于主動齒輪圓角根部與電機軸配合處。

探傷裂紋的位置即為主動齒輪端部倒圓角與電機軸接觸位置。為了進一步找出原因，從電機軸探傷工藝、電機軸強度校核及檢驗等方面進行了深入分析研究。

圖2　牽引電機軸探傷裂紋位置示意圖

1.1牽引電機軸探傷工藝對比分析

HXD3機車2年檢規程規定內容：電機軸采取磁粉或著色方式進行探傷。故障發生后，因為A、B公司制造的電機發生軸裂紋數量的差異較大(發生問題的均為A公司的電機)，故分別對不同公司制造檢修的牽引電機軸探傷工藝流程進行對比。檢查發現兩公司工藝流程相同，但在電機軸探傷方面存在差異，A公司采用著色探傷，B公司采用磁粉探傷。但符合規程要求。

通過對著色探傷及磁粉探傷工藝的對比，著色探傷工藝對于表面開口缺陷靈敏度不高，需要操作者具有較高的探傷經驗，對微細裂紋有遺漏可能。因此導致A公司承修的2年檢電機軸存在微細裂紋未發現帶病運行的情況。B公司在HXD3 2年檢過程中由磁粉探傷發現了裂紋，進行報廢處理，所以運用過程中未發現電機軸裂紋。

1.2牽引電機軸靜態強度校核分析

表1　電機軸材料的機械性能

對電機軸進行靜態有限元分析計算結果如圖3所示。

圖3　電機軸有限元分析示意圖

電機軸斷裂位置R1區最大應力值為 90 MPa，但最大應力值并不在與齒輪配合的倒角根部,因此可判定裂紋及斷裂的發生不在靜態載荷條件下。靜態有限元分析認為電機軸強度足夠，滿足運用要求。但因為電機軸與主動齒輪配合根部倒角處產生壓痕，會導致應力集中，應力集中部位容易產生初期裂紋，在連續的彎曲和扭轉載荷作用下初期裂紋疲勞擴展最終導致斷裂。

1.3牽引電機軸起動轉矩和打滑轉矩工況下的強度計算

表2　牽引電機軸起動轉矩和打滑轉矩工況下的計算結果

表2中所計算的最大應力均在電機軸與齒輪倒角接合處，與實際電機軸斷裂位置相吻合。

查《機械設計手冊》中“許用安全系數”的規定：對于載荷與應力計算不夠精確的，安全系數一般為1.5～1.8；如果軸的損壞會引起嚴重事故，安全系數應該適當加大。本結構如果安全系數取到1.8時，轉軸的疲勞強度略不足。從《機械設計手冊》中相近材料推算，對于重要轉軸，疲勞極限為392 MPa時，許用疲勞應力為218～261 MPa。在起動轉矩11 852 Nm工況下，0.36 mm過盈結構的軸最大應力為229.476 MPa，大于許用應力218 MPa。 如果按機車輪對即將打滑時轉矩計算，在0.36 mm和0.317 mm 過盈量時，最大應力分別為242.887 MPa和225.25 MPa ，也超過許用應力218 MPa 。盡管過盈量0.28 mm時產生的應力209.127 MPa小于許用應力，但是安全系數也稍偏低。

1.4牽引電機軸各工況下的強度計算

對牽引電機軸及主動齒輪，根據實際運行工況對載荷歸類為10種計算工況(因最大制動扭矩小于最大起動扭矩，因此未對最大制動扭矩載荷工況進行計算)。其中，工況5和6是為了比較不同過盈量對轉軸應力集中的影響；壓入量14 mm對應的過盈量為 0.28 mm；壓入量 18 mm對應的過盈量為0.36 mm。根據《機械設計手冊》轉軸的彎曲疲勞極限為 437 MPa。在強度評價中采用第四強度理論導出的等效應力e來評價，此等效應力不得超過相應計算工況的許用應力。工況1和工況2載荷為正常運營載荷，根據《機械設計手冊》考慮轉軸如果損壞會引起嚴重事故，安全系數取值為1.8，許用應力為 243 MPa。計算結果如表 3所示。

2　牽引電機軸材料金相檢驗情況

針對A公司的故障電機軸及B公司篩選出的有裂紋的電機軸，分別進行檢驗。

2.1A公司送檢驗情況結論

A公司將兩根斷裂的電機軸送到中國鐵道科學研究院進行金相檢驗，檢驗內容包括化學成分分析、拉伸性能、沖擊性能、低倍檢驗、非金屬夾雜物等項目。中國鐵道科學研究院的檢驗結果顯示其中一根電機軸的屈服強度比圖紙要求的屈服強度小25 MPa左右，另一根電機軸的屈服強度比圖紙要求的屈服強度小40 MPa。檢驗結論為軸表面的應力集中區域，易誘發裂紋，在連續彎曲扭轉載荷的作用下，裂紋疲勞擴展并最終斷裂。

表3　各工況最大應力計算結果及結論

注：測量的最大應力位置均在電機軸與齒輪倒角接合處。該處許用應力為243 MPa。

2.2B公司送檢驗情況結論

B公司將探傷發現裂紋的電機軸進行表面殘余應力、金相組織、硬度、斷口形貌觀察、能譜斷口成分分析等項目的檢驗。檢驗結果顯示電機軸材料組織正常，裂紋兩側未出現異常缺陷，電機軸表面裂紋附近存在明顯的壓痕，同電機軸芯部相比裂紋表面硬度有所提高，裂紋部位存在較大殘余應力，裂紋起源位于電機軸與齒輪邊沿相接觸的表面，屬于多源疲勞裂紋，裂紋深度最大為 0.4 mm。

3　牽引電機軸裂紋故障的原因分析

綜合牽引電機檢修、電機軸強度校核、軸檢驗等情況，電機斷軸故障原因分析為牽引電機軸強度安全系數取值偏低，在壓入量為18 mm時，安全系數接近一般取值的下限，是造成電機軸裂紋的主要原因。 牽引電機軸與齒輪邊沿相接觸的部位，在結構應力集中、較大的裝配應力和交變扭轉工作應力的共同作用下產生疲勞裂紋，裂紋不斷擴展，在擴展到一半左右時，電機軸瞬間斷裂。

對同樣結構的牽引電機軸，不同公司用不同的方式發現初始裂紋。進行2年檢時用著色探傷方式遺漏了裂紋，不能有效發現微細裂紋，采用磁粉探傷可發現裂紋，這是造成兩公司電機軸運用中出現故障臺數差別大的原因。

4　改進措施

(1)運用機務段根據電機斷軸故障發生時機車 TCMS 顯示屏所報出的故障內容和電機軸斷裂前后牽引電流、牽引力的變化，總結了電機斷軸故障判斷依據，指導乘務員正確處理，避免故障擴大；

(2)對HXD3機車電機軸進行超聲波探傷，在機務段探傷已發現的電機轉軸疑似裂紋返廠檢測，復探確認裂紋，裂紋最小深度0.1 mm，最大深度8 mm；

(4)A公司增加電機軸磁粉探傷，確保在承修時發現初始裂紋。

[1]雷天覺，吳宗澤.機械設計實用手冊[M]. 北京:機械工業出版社，2010.

[2]張曙光.HXD3型電力機車[M]. 北京:中國鐵道出版社，2010.

Reason Analysis and Improvement Methods for Shaft Fracture of HXD3 Type Electric Locomotive Traction Motor

LIXia

(Luoyang Locomotive Depot, Zengzhou Railway Bureau, Luoyang 471002 Henan, China)

The paper described investigation of shaft broken problem in traction motor application of HXD3 Locos at Luoyang Depot. Deep research are made from traction motor axel detect, axel strength check and inspection etc. Rootcause of problem is analyzed and improve method also described here in detail.

type HXD3 electric locomotive traction motor; shaft; fracture; cause analysis and improvement measures

1008-7842 (2016) 03-0081-03

女，高級工程師(

2015-11-13)

U269.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.17