J W-4型軌道作業車換向分動箱差速器故障淺析

鐘志軍，陶立新

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司機械設備中心，湖北　武漢 430074）

J W-4型軌道作業車換向分動箱差速器故障淺析

鐘志軍，陶立新

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司機械設備中心，湖北武漢 430074）

JW-4型軌道作業車換向分動箱的差速器十字軸出現斷裂，根據故障現象，查找原因，找到存在的缺陷，進行正確的改進與處理，徹底解決問題，為此類車型的易發故障尋找到了一個良好的處理解決方案。

作業車換向分動箱；差速器故障

1　J W-4型軌道作業車換向分動箱差速器故障

我單位一批JW-4型軌道作業車在合蕪項目部電氣化施工，區間以70公里/小時的速度行駛，行駛途中出現顛簸不平穩，底盤出現異常聲響；在彎道行駛時，一側的車輪與鋼軌之間摩擦出火花，并有掉道的危險。此車從生產廠家接出來只行駛了2.6萬公里，當時判斷JW-4型軌道作業車的車軸齒輪箱出現了問題，打開車軸齒輪箱檢查沒有發現故障原因，接著又排除了制動系統故障，仍然沒有解決實際問題。當打開了換向分動箱的放油塞，放出換向分動箱里面的油時，發現有金屬屑從箱體中流出，潤滑油質非常的差，當即拆開換向分動箱，拆卸箱體里的一軸、二軸、三軸、游動齒輪、滑動直齒輪、滑動齒輪、甩油齒輪等配件后，發現換向分動箱差速器的兩個半軸齒輪的牙齒打壞，差速器的十字軸已經斷裂。

2　J W-4型軌道作業車換向分動箱差速器簡介

JW-4型號軌道作業車在進入曲線運行時，其在曲線部分的車軸和直線部分的車軸轉速不同，在機械傳動的軌道作業車中，為防止兩軸速度不一造成車輪打滑，在前后車軸共同驅動裝置換向分動箱中增設差速器來解決這一問題，目前，絕大數機械傳動軌道作業車均在換向箱中安設差速器。遇到轉變情況，內側輪對要比外側輪對受到的阻力大，這時候差速器就會發生作用，實現一個內側輪對減速外側車輪增速的過程，已達到車輛的順得轉彎。（見圖1）

圖1　輪對轉彎示意圖

差速器主要由十字軸、行星齒、半軸齒輪、差速器外殼體等組成，因為有行星齒的存在，使兩個半軸齒輪雖在差速器外殼的同時帶動下傳動，卻可以輸出不同的速度，以而實現差速功能。（見圖2）

圖2　差速器裝配示意圖

3　差速器十字軸的功能

差速器十字軸是差速齒輪的定位軸，它與差速器殼之間不允許松動。但是由于十字軸經常承受著驅動車輪的驅動力，加上十字軸與差速器殼、差速齒輪松曠，則齒輪傳動空量增加，這就容易發生十字軸斷軸。我單位JW-4型軌道作業車在施工過程中，經常要短距離起步、停車，差速器殼也在間斷地撞擊十字軸，同時十字軸也撞擊著差速齒輪，于是就形成了十字軸軸線擺差、應力集中，最后十字軸折斷。十字軸折斷后會產生鏈鎖反應：十字軸或一字橫軸折斷時差速齒輪就失去了定位，齒輪發生破裂，甚至半軸齒輪牙齒也受損傷，車輪驅動也就停止了。由此可見，差速器的可靠性取決于十字軸的良好程度。

4　原因分析

我們與生產廠家技術人員一起對差速器十字軸的斷裂件做力學性能與金相組織的分析。圖紙要求的材質為20CrMnTi，低碳合金鋼。原始材料：σ b≥1 979 N/mm2；σ s≥883 N/mm2；δ 5≥8%；AKv≥50；akv≥78.5 J/cm2，對十字軸的熱處理要求，圖紙標注為：滲碳層深0.7～1.1 mm；表面硬度：HR C58-63；心部硬度：HR C30-43。

采用Q C/T 262-1999、J B 8925-2008、G B/ T 230等標準，對十字軸的表面硬度、心部硬度、滲碳層深及材質的金屬結構進行檢驗，其C、Si、M n、C r、T i等金屬元素全部符合標準要求。

但差速器十字軸在滲碳淬火工藝處理中，次表層形成較大的拉應力，致使滲碳層表面與心部結合力減弱，從而產生裂紋；斷裂件的心部組織不合格，為中等粗細板馬氏體與較多鐵素體（5級），超出4級標準要求，馬氏體針比較粗大，裂紋也會增多。形成了貝氏體的組織，貝氏體組織的存在，降低了差速器十字軸的滲碳層的硬度，降低了耐磨性及疲勞極限，并且在組織內部容易產生細微裂紋，導致差速器十字軸的斷裂。

5　改進措施

對差速器十字軸的斷裂進行原因分析后，發現十字軸的材質金屬化合物和滲碳層深是問題發生的主要原因。經與廠家技術人員討論，采用以下解決方案：

（1）材質方面：將差速器十字軸的材質同20CrMnTi低碳鋼更改為20-22CrMoH合金滲碳鋼，合金滲碳鋼20-22CrMoH與低碳鋼20CrMnTi對比，在化學成份、淬透性、有效滲碳層深、非馬氏體組織的厚度等方面，均具有較強的優勢。合金滲碳鋼20-22CrMoH的滲碳層深：1.6-2.0mm、表面硬度：HR C60-65、心部硬度：HR C33-45。 由此可見合金滲碳鋼20-22CrMoH，增加了差速器十字軸表面硬度、心部硬度與表面的滲碳層深度，細化了組織，避免心部產生較多的鐵素體，減少非馬氏體組織的厚度，提高了差速器十字軸表面的強度，從而提高差速器十字軸的多次沖擊抗力、疲勞斷裂周期和耐磨性。

（2）差速器十字軸產品的生產工藝方面：下料→鍛造→正火→銑端面→鉆中心孔→中間檢查→車外圓、倒角、車槽→銑平面→中間檢查→滲碳處理→感應加熱淬火＋低溫回火處理→粗磨軸頸→精磨軸頸→最終檢查→磷化處理。從整個生產工藝得知，差速器十字軸在鍛造及滲碳工藝時，容易產生細微裂紋，影響零件的質量，造成斷裂隱患。因此，在整個生產工藝中增加了三次表面磁粉探傷檢查，以免有不合格產品混入。

（3）加工工藝方面：從加工工藝上降低表面粗糙度，提高表面精度、表面質量與技術要求，確保各軸線之間的不相交度公差與垂直度公差。在十字軸的圓弧過渡處增加倒圓角，同時進一步減少應力集中。

6　結束語

經過在設計和材料上的改進后，通過一段時間的試運行，該批車輛差速器十字軸再也沒有出現斷裂現象，從而有效的保證了JW-4型軌道作業的行車安全。

[1]曾正明主編.實用金屬材料選用手冊，機械工業出版社，2012.

[2]秦大同，謝里陽主編.機械設計手冊，第三卷，化學工業出版社，2011.

[3]曹曉龍.290型軌道車換向分動箱的設計.大連交通大學，2008.

U270

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1671-0711（2016）09（下）-0036-02