沈陽地鐵二號線電機軸斷裂原因分析

董曉宇　張鐵

摘要：車門系統在地鐵車輛的正線運營中起著至關重要的作用，電機作為車門系統的驅動機構，正線電機軸斷裂故障將導致列車下線，影響正線運行。通過分析已斷裂電機軸的位置及截面特征，電機軸斷裂為疲勞斷裂，可由材質、工藝、強度等缺陷引起，并針對引起電機軸斷裂的原因提出有效解決措施。

關鍵詞：車門;電機軸;受力分析

一、研究背景及意義

（一）研究背景

在地鐵車輛的運營過程中，車門系統是故障頻發的系統，提高車門系統的可靠性、減少故障率對降低電客車正線影響和提高服務質量起至關重要的作用。沈陽地鐵二號線客室車門采用雙扇電控電動內藏式車門，由門控器、驅動電機、齒帶傳動裝置等組成。車門的頻繁使用造成了驅動電機的頻繁動作，易受集中力作用而產生疲勞斷裂。正線運營時電機軸斷裂會導致車門無法關閉，引起電客車下線，影響地鐵運營。

（二）研究意義

沈陽地鐵二號線運營至今發生過多起正線電機軸斷裂的事件，嚴重影響正線運營。通過對電機軸材質、工藝質量、電機軸的受力及電機軸的受力分析，明確造成電機軸斷裂的主要因素，通過合理措施減少電機軸在車門動作時的受力或增加其強度，延長電機軸使用壽命，降低正線故障率。

二、電機軸斷裂原因分析

（一）車門電機簡介

沈陽地鐵二號線采用德國Dunkermotoren60V永磁直流電動機，裝配時由電機安裝座固定在安裝底板上。電機軸與齒帶輪為平鍵連接，內部含有錐齒輪減速器，可將電機產生的旋轉變向及減速，從而輸出到齒帶輪。

（二）電機軸斷裂情況

電機軸斷裂位置位于鍵槽末端，整個斷口較為平整，斷面上有條帶狀結構，為塑性斷口，斷面存在明顯的疲勞源區、裂紋擴展區和瞬斷區，為疲勞斷裂。疲勞斷裂是由于部件受到交變應力的作用，在局部應力集中或強度較低的部位首先產生裂紋，裂紋擴展導致的斷裂，一般發生在尖角、缺口、界面突變等應力集中的位置。

（三）電機軸斷裂原因分析

1.工藝缺陷

電機與安裝座之間通過4個緊固螺栓進行連接，以保證電機安裝端面與電機軸的垂直要求。電機支架良好的加工工藝可以保證產品的質量要求，但在加工缺口或螺紋孔時易在平面中形成零點幾毫米凸臺或凹陷，導致安裝完成后電機軸與安裝端面不垂直，在運行過程中電機軸承受額外的交變彎曲力矩，長期受力易在應力集中處形成斷裂。另一方面，電機軸的非配合面在加工時經常被忽視，軸表面和軸肩過渡圓角處常留有刀痕，表面粗糙度過大，狀態系數降低，使軸的抗疲勞能力降低而引起折斷。

2.材質缺陷

材質的強度代表電機軸在有外力作用時抵抗破壞的能力，強度高的材料抵抗外力的能力較強，材質的強度較低時，在長期工作條件下，易在受力較大處產生斷裂，因此材料的選用不當和材料的質量低劣是導致電機軸斷裂的重要原因。

3.應力集中

應力集中是電機軸斷裂最常見的原因。電機軸在設計和工藝上經常有越程槽、卸載槽等結構，如果槽結構設計不合理、過渡圓角太小或軸徑變化大，在交變應力的作用下，這些部位的應力分布會極不均勻，在應力特別高的部位逐步形成微觀裂紋且逐漸擴展，最后導致脆性斷裂。二號線車門電機軸上設計有鍵槽，電機動作時鍵槽的兩個工作面受力，在長期承受交變彎曲應力和扭轉應力的作用下易產生斷裂。用proe對電機軸進行建模，并進行靜強度分析，發現電機軸鍵槽端部受應力最大，與實際斷裂處一致，說明鍵槽的存在使其在端部引起了應力集中，是電機軸斷裂的主要原因。（見圖1）

三、改進措施

（一）在軸的加工過程中，注意軸非工作面的加工，保證設計中表面粗糙度的要求。

（二）在選擇材料時選擇強度較高的材料。沈陽地鐵二號線原使用電機軸材料為不銹鋼，強度極限520MPa，現使用電機軸為42絡鉬4釩，強度極限1080MPa，高于不銹鋼的強度極限，在使用過程中合金材質的電機軸未發生過斷裂。

（三）在門機構的配合方面，檢修過程中及時檢查滑道、導軌等有無異物，確保門板處于正確位置，避免由于門板與毛刷間隙過小、異物卡滯等原因造成開門力變大，增加電機所受載荷。

（四）優化電機軸上齒帶輪的安裝方式。將齒帶輪的連接方式由懸臂式改為電機軸兩端支撐，電機安裝在支架上，電機齒帶輪兩端通過安裝在電機支架上的2個滾動軸承進行支撐。該結構可避免電機軸因懸臂結構造成在開關門時的受力不均從而造成電機軸出現斷裂的情況。

參考文獻：

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