龐巴迪CX-100型車輛牽引電機聯軸節故障原因分析及解決措施

胡鐵軍，華 海

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000）

1 概述

廣州地鐵珠江新城核心區旅客自動輸送系統APM線（Automated People Mover）采用美國龐巴迪CX-100型車輛，該車型采用直流牽引電機傳動，電機型號為龐巴迪1460-P4，該型電機于2016年達到架修期。廣州地鐵于2016年陸續將該型直流電機送往電機廠家進行委外維修，在2017年初，APM線發生了一起因委外維修后的牽引電機聯軸節脫落導致區間清客的事件，對APM線運營安全造成了重大影響。為了找出本起故障的根本原因，徹底消除其他已完成委外維修的電機的同類安全隱患，通過理論計算和試驗分析，找到了故障原因，對已完成委外維修的電機進行了復核檢查，并針對后續維修提出了相應的解決措施。

2 故障分析

該起故障為委外維修后的電機出現了故障，經過對聯軸節、電機軸、軸端緊固螺母等進行詳細檢查后，初步判斷故障原因為聯軸節套裝過盈量不足。為查找聯軸節套裝過盈量不足的根本原因，本文先從本次委外維修與其他電機委外維修的區別開始分析，通過理論計算和試驗來逐步分析故障原因。

2.1 本次委外維修與其他電機委外維修的區別

通過對比其他電機委外維修情況，可以發現本次委外維修的區別在于：

（1）龐巴迪公司出于技術封鎖和商務利益考慮，不向廣州地鐵提供電機維修相關的任何資料；

（2）為了打破技術封鎖，節省維修成本，廣州地鐵將電機委托給國內具有大型電機維修經驗、業績項目良好的廠家進行技術參數測繪和工藝研究，并實施維修。

經初步測量，再結合國內同類型電機材質參數對比，基本確定委外維修廠家的技術參數測繪結果正確。下文將根據技術參數測繪結果論證維修工藝中聯軸節套裝過盈量的準確性。

2.2 影響聯軸節套裝過盈量的因素分析

根據電機軸與聯軸節的套裝工藝[1]可知，影響聯軸節套裝過盈量的關鍵因素有六個，分別為：

（1）聯軸節套裝過盈量由軸向套入量來保證，所以聯軸節套入量是一個至關重要因素；

（2）電機軸錐面圓跳動；

（3）聯軸節內孔與軸錐面有無拉傷/毛刺等異常；

（4）聯軸節探傷檢測結果；

（5）電機軸錐面與聯軸節內孔的接觸面積；

（6）聯軸節加熱溫度與保溫時長。

下文將對以上六個關鍵因素逐一進行分析。

2.2.1 聯軸節套入量

2.2.1.1 聯軸節套入量的理論計算

龐巴迪1460-P4型電機通過外錐度軸與聯軸節配合（即軸錐配合）后牽引負載，該型電機額定功率75 kW，額定轉速2 200 r/min，其額定轉矩為326 N·m[2]。由于該電機缺少起動特性以及短路轉矩等參數，計算時為了保證軸錐配合在不超出材料強度條件下保證傳遞力的可靠性，該電機按814 N·m（按同類電機最大轉矩倍數2.5倍計算得出）的最大轉矩對軸錐配合進行設計[3]。

表1 外錐度軸與聯軸節配合基本尺寸及電機轉矩參數

計算過程如下：

傳遞載荷需要的最小壓力：

同理，可計算出零件不產生塑性變形允許的最大有效過盈量（考慮裝入壓平的影響）δmax=0.244 mm。

聯軸節套入量為H=δ×9.6，為1.2～1.4 mm。

2.2.1.2 聯軸節套入量的實際校核

為了確認已完成委外維修的電機的聯軸節套入量大小，對19臺電機（其中本次故障前維修14臺、故障后維修5臺）進行了復核檢查，復核檢查嚴格按照電機聯軸節的拆裝工藝和流程[1]進行，重點記錄復核前后軸端面與聯軸節端面的尺寸A（見圖1）和聯軸節套入量，表2是復核前后軸端面與聯軸節端面的尺寸A記錄表。

圖1 軸端面與聯軸節端面的尺寸A

對于實際套裝或復核作業，聯軸節的套入量由套裝過程中的冷態套裝尺寸A冷和熱態套裝尺寸A熱這兩個關鍵參數決定，聯軸節套入量=A熱-A冷。而冷態套裝尺寸A冷是一個過程量，熱態套裝尺寸A熱是一個結果量，也就是在實際套裝或復核作業完成后只能重復檢測到熱態套裝尺寸A熱。

通過表2的對比，可以得出如下幾個結論。

本次復核作業后聯軸節的套入量與理論計算結果一致，達到了1.2～1.4 mm的標準。

通常情況下，每經過一次作業，電機軸的外徑會稍微減小，聯軸節孔的內徑會稍微變大，這時A'≤A，差值≤0.2 mm。本次故障前維修的14臺電機的軸端面與聯軸節端面的尺寸對比為：A'＜A，差值在0.42～1.38 mm之間，遠超出≤0.2 mm的范圍。說明這14臺電機的原套入量不達標，可能套入量小了0.22～1.18 mm。

表2 復核前后軸端面與聯軸節端面的尺寸A和軸端突出量記錄表

（3）本次故障后維修的5臺電機的軸端面與聯軸節端面的尺寸對比為：A'≤A，差值在0～0.1之間，符合≤0.2 mm的范圍。說明這5臺電機的原套入量達標。

（4）復核前后19臺電機的套入量散點圖見圖2，套入量必須在1.2～1.4 mm的范圍內才達標，正偏離則會導致聯軸節內孔損傷，負偏離則會導致過盈量不足，兩者最終都會導致電機軸與聯軸節的過盈配合失效。

通過對聯軸節套入量進行理論計算，并結合實際復核數據分析后，可知本次牽引電機聯軸節套入量不足，合格率為26.32%。

圖2 復核前后套入量的散點圖

2.2.2 電機軸錐面圓跳動

電機軸錐面圓跳動的復核檢查結果見表3，全部符合小于0.06 mm的標準，說明電機軸錐面圓跳動符合技術要求，合格率為100%。

表3 電機軸錐面圓跳動的復核檢查結果

2.2.3 聯軸節內孔與軸錐面有無拉傷/毛刺等異常

退卸所有電機的聯軸節檢查時，發現大修出廠序號為160303的電機（裝車位置為03車1#）聯軸節內孔拉傷（見圖3），必須進行表面加工處理。經過著色探傷、磁粉探傷檢查未發現裂紋，后經研磨處理，使電機錐度軸與法蘭內孔接觸面積大于80%，最終套入量為1.20 mm，符合標準。

除1臺電機發現異常外，其他電機未發現聯軸節或錐度軸存在拉傷的情況，合格率為94.74%。

2.2.4 聯軸節探傷檢測結果

對所有聯軸節外表面進行磁粉探傷，聯軸節內孔面進行滲透探傷檢測，探傷檢測結果均合格，合格率為100%。

圖3 法蘭內孔拉傷

2.2.5 電機軸錐面與聯軸節內孔的接觸面積

利用紅丹粉檢查電機軸錐面與聯軸節內孔的接觸面積，所有接觸面積均大于80%，合格率為100%。

2.2.6 聯軸節加熱溫度與保溫時長

聯軸節加熱溫度與保溫時長是套入量多少的直接保證。如果加熱溫度與保溫時長不足，電機軸或聯軸節的彈性變形量會不足，從而直接導致套入量小；如果加熱溫度與保溫時長超標，電機軸或聯軸節會發生塑性變形，從而導致電機軸或聯軸節失效[5]。所以必須嚴格控制加熱溫度和保溫時長，但其是一個過程量，不能復盤檢測，從聯軸節套入量不合格率為73.68%，可以推測出故障前維修的14臺電機沒有嚴格控制加熱溫度和保溫時長。

2.3 聯軸節套裝過盈量的不足的原因分析

將上文影響聯軸節套裝過盈量的六個關鍵因素的復核結果繪制成圖4，可知聯軸節套裝過盈量不足的原因為：

圖4 聯軸節套裝過盈量的六個關鍵因素的復核結果

聯軸節套入量不足是導致過盈量不足的直接原因；

沒有嚴格控制聯軸節的加熱溫度與保溫時長可能是導致過盈量不足的根本原因；

聯軸節內孔與軸錐面有拉傷/毛刺等異常，未經過精細加工處理，降低了過盈配合度。

3 解決措施

結合故障原因和聯軸節套裝工藝，本文對后續維修電機的驗收與保障提出如下措施。

要求維修廠家對聯軸節套入量、電機軸錐面圓跳動、聯軸節內孔與軸錐面有無拉傷/毛刺等異常、聯軸節探傷檢測結果、電機軸錐面與聯軸節內孔的接觸面積、聯軸節加熱溫度與保溫時長等六個關鍵工序環節進行全面質量監控，提供詳細的維修工藝卡片，必要時可要求維修廠家提供維修作業視頻資料。

完善牽引電機維修后的現場驗收措施，將測量軸端面與聯軸節端面的尺寸A、螺母扭矩與螺釘緊固等作為必檢項目。

維修后的電機上線運營初期要強化檢查，對牽引電機聯軸節、圓螺母與軸進行劃線，加密檢查頻次，完善設備運營跟蹤記錄。