磁浮列車車鉤橡膠軸承失效分析及拆裝工藝

陳曉艷 王耀文

(1.上海市環境工程設計科學研究院有限公司,200232,上海;2.上海磁浮交通發展有限公司,201204,上海∥第一作者,工程師)

上海磁浮示范運營線的列車車鉤位于車廂與車廂之間,是由凹凸型耦合件、橡膠軸承和軸銷等組成(見圖1)。磁浮列車的兩車廂連接屬于剛性連接。

自2002年上海磁浮列車運營以來,在日常的維護工作中發現有7處車鉤橡膠軸承爆裂,損壞比例占到58.33%。橡膠軸承的橡膠部分爆裂長度約為35～50 mm,如圖2所示。橡膠軸承的失效會對列車的平穩運行帶來安全隱患,因此必須及時地進行失效分析并排除故障。

圖1 磁浮列車車鉤

圖2 橡膠軸承的橡膠爆裂實景

1 車鉤橡膠軸承失效分析

1.1 車鉤橡膠軸承的工作年限分析

使用4年的車鉤橡膠軸承,產生了如圖2所示的老化爆裂現象。但從橡膠軸承的材料性能來說,這種情況是不應該這么快就產生的。

1.2 車鉤橡膠軸承的載荷過程分析

1.2.1 靜態載荷分析

列車在靜止狀態時,兩車廂高度閥所控制的相關空氣彈簧內部氣壓相等,兩相鄰空載車廂應該是等高的,車鉤橡膠軸承不承受豎向(即Z向)載荷。

在進行空氣彈簧控制單元維護測試時,因測試規范中沒有說明需要對多少個高度閥進行充氣抬高(即沒有具體說明相關高度閥控制下有多少個空氣彈簧內的氣壓需要達到0.80～0.95 MPa),故容易造成某車廂已被抬高,但相鄰車廂未被抬高的現象,從而造成在實施該維護測試工作中車鉤橡膠軸承承受很大的豎向載荷。這是車鉤橡膠軸承失效的原因之一。

1.2.2 動態載荷分析

磁浮列車每一節車廂都是動車,其車鉤橡膠軸承也不存在縱向載荷。在磁浮列車轉彎和相鄰車廂負載不均勻的情況下,車鉤橡膠軸承會承受車廂負載差所引起的載荷。這是橡膠軸承失效的原因之二。

1.3 失效時的應力狀態分析

從車鉤橡膠軸承開裂的實況來看,其開裂位置位于Z向,從中得知橡膠軸承是受到Z向應力的作用。另外,拆卸車鉤軸銷時需50 t液壓千斤頂方能作業。分解車鉤后可知,相鄰兩車廂存在明顯的高度差,高度差在50～80 mm之間。這就進一步說明,相鄰兩車廂的負載差完全由橡膠軸承承擔。由文獻[6]可知,車鉤橡膠軸承承受的壓力達28×104N。

磁浮列車的每節車廂左右側各有8個空氣彈簧支撐。空氣彈簧里面的介質是壓縮空氣,由高度閥控制。高度閥是一個5位3通節流閥,如圖3所示。它通過調節空氣流量來達到控制空氣彈簧里面的氣壓,從而實現車體高度的調節。

磁浮列車相鄰2個車廂的2個高度閥的充氣口是相通的。也就是說,1個高度閥既控制著該車廂左右各4個空氣彈簧,還控制著相鄰車廂左右各4個空氣彈簧。2個高度閥是互相冗余的,即:在列車動態運行時,當甲車廂負載增加,甲車廂處于充氣位置的高度閥對該甲車廂空氣彈簧進行充氣抬高;而相鄰乙車廂沒有負載增加,但由于冗余關系,勢必也會對乙車廂空氣彈簧進行充氣以抬高車體,而此時乙車廂的高度閥處于放氣位置,并對乙車廂空氣彈簧進行放氣以降低車體。此時,車鉤橡膠軸承就承受Z向載荷。

圖3 5位3通節流閥

1.4 材料性能分析

從《機械設計手冊》得知,磁浮列車車鉤橡膠軸承所采用的氟橡膠具有抗撕裂、耐撓曲和耐沖擊的優越性能,能耐高溫、耐油以及耐特種介質場合,有較好的力學性能、壓縮性能和抗低溫性能。但氟橡膠長期在高載荷環境下工作,也會造成橡膠老化變脆,當達到橡膠受壓極限時就會爆裂。當磁浮列車兩相鄰車廂長期處于不等高的狀態,會造成車鉤橡膠軸承應力過載,從而造成了車鉤橡膠軸承失效。這就是造成橡膠軸承失效的主要原因。

2 車鉤軸承軸銷的拆裝工藝

車鉤的凹凸型耦合件是鍛造鋁合金材料。車鉤凸型耦合件的軸承孔直徑是φ 110 mm H7,軸承的外經是φ 110 mmX6,過盈量最大為0.232 mm、最小為0.175 mm,屬于較大過盈配合。所以,橡膠軸承的裝配是一個技術難點。

針對目前磁浮列車車鉤橡膠軸承失效爆裂的情況,對此進行分析并合理設計一個強度足夠的工藝裝備來快速完成軸銷的拆卸任務是件重要的工作。

2.1 軸銷拆卸裝置的結構設計方案

通過對車鉤結構及拆裝的分析,現設計車鉤軸銷的拆卸裝置如圖4所示。

1)根據現場維護經驗及前述應力狀態分析,選定輔助設備為50 t液壓千斤頂。

2)50 t液壓千斤頂使圖4所示的4根螺桿受到500 kN的拉伸力。按《機械設計手冊》規定,需通過等截面直桿中心拉伸強度計算來選定螺桿。最后確定螺桿采用φ 30 mm的45號中碳鋼,桿長540 mm,進行淬火并回火(回火溫度450℃～490℃)。

圖4 車鉤軸銷的拆卸裝置

3)螺母采用M30標準件,等級為6.1型,容許載荷為403.9 kN。

4)50 t的液壓千斤頂作用在底座中心的集中載荷P為500 kN。根據《機械設計手冊》的矩形平板彎曲公式計算選定底座。最后確定底座為Q235-A碳素結構鋼,尺寸為250 mm×180 mm×20 mm。

2.2 車鉤橡膠軸承裝配工藝

車鉤凸型耦合件內徑與車鉤橡膠軸承的配合是過盈配合。車鉤凸型耦合件是鍛造鋁合金材料AlMgSi(牌號6061 T6),采用溫差法(熱脹和冷卻法)裝配。車鉤橡膠軸承的裝配工藝如表 1所示。

表1 車鉤橡膠軸承裝配工藝

3 結語

1)采用溫差法裝配工藝的連接強度要比采用壓入法的高1倍左右。

2)采用溫差法裝配工藝防止了對包容件的損壞。

3)應修改車體水平高度調節規程,減小車鉤橡膠軸承因受豎向載荷而受損的危險,以延長橡膠軸承的使用壽命,從而降低磁浮列車的維修成本。

4)車鉤軸銷的拆卸裝置采用組合夾具設計,其制作成本低且組裝方便,并可在其它拆卸工作場合下使用。

[1] 楊叔子.機械加工工藝師手冊[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2] 陸明炯.實用機械工程材料手冊[M].沈陽:遼寧技術科技出版社,2004.

[3] 樊東黎,徐躍明,佟曉輝.熱處理工程師手冊[M].2版.北京:機械工業出版社,2004.

[4] 劉靜安,謝水生.鋁合金材料的應用與技術開發[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[5] 機械設計手冊軟件版R2.0[M].北京:機械工業出版社,2006.

[6] 吳祥明.磁浮列車[M].上海:上海科學技術出版社,2003.