某型電力機車牽引電機外錐軸無損退小齒輪工藝的研究與應用

劉波宏，盧明明，湯 邦，牛艷霞

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

某型電力機車牽引電機轉軸軸伸部分為外錐結構，小齒輪通過熱套的方式與牽引電機轉軸連接，在牽引電機分解檢修時使用油壓拆卸將小齒輪與轉軸分離。近年來，牽引電機返廠檢修時，發現部分外錐軸表面存在損傷，主要表現為一道或多道徑向凹痕跡以及軸向拉傷。根據2019年1月至2021年12月數據統計可知，2020年共發生32起外錐面損傷，比率5.56%，轉軸報廢23個(3.99%)，具體情況如表1所示。

表1 牽引電機外錐軸表面損傷情況統計

從表1可知，因外錐軸表面損傷引起每年近1.75%的轉子報廢率，產生檢修成本超過30萬元。此外，外錐軸表面難以去除的痕跡時常引起客戶投訴甚至經濟處罰，嚴重影響企業質量形象。基于上述原因，為某型電力機車牽引電機研究一種無損退小齒輪工藝顯得尤為重要。

2 外錐軸損傷問題分析

某型電力機車牽引電機小齒輪退出工藝為：轉軸端面安裝注油嘴和退出工裝，其中注油嘴與液壓泵聯接，逐漸增加液壓泵壓力，利用徑向壓力將小齒輪漲開后從電機轉軸錐面退出。牽引電機從驅動分離后退出小齒輪，轉軸錐面安裝防護套后送至檢修現場(見圖1)。結合工藝流程梳理和工藝寫實，發現電機外錐軸表面損傷的主要原因有以下幾種。

圖1 某型電力機車牽引電機退小齒輪示意圖(優化前)

2.1 徑向損傷

被漲開的小齒輪由于注油孔內雜質或轉軸表面異物導致軸向阻力增大，彈出后產生了較大的沖擊力，與退出工裝的碰撞觸發了一個反向的作用力，導致小齒輪與轉軸外錐面撞擊，形成徑向損傷，如圖2所示。

圖2 轉軸外錐面典型徑向損傷

2.2 軸向損傷

個別操作人員在作業過程中，快速加壓徑向泵，短時間內漲開小齒輪將其退出。由于加壓時間短，小齒輪局部位置未完全漲開，軸錐表面沒有被潤滑油膜所覆蓋，導致小齒輪退出時與轉軸形成干摩擦，由于小齒輪的硬度大于轉軸硬度，導致轉軸表面被撕裂從而形成軸向的拉傷，如圖3所示。

圖3 轉軸外錐面典型軸向損傷

3 外錐軸無損退小齒輪工藝的研究與應用

3.1 方案借鑒

某和諧型電力機車牽引電機退小齒輪工藝(見圖4)已較為成熟，在實際運用過程中未出現轉軸錐面損傷問題。某型電力機車牽引電機與之相比，同樣為圓錐過盈聯接件，且使用油壓拆卸。因此在借鑒某和諧型電力機車牽引電機小齒輪退出工藝的方案基礎上，增加軸向壓力，優化退出工裝，初步設計某型電力機車牽引電機外錐軸無損退小齒輪工藝。

圖4 某和諧型電力機車牽引電機退小齒輪示意圖

3.2 光滑圓錐面利用油壓拆裝的計算

根據《圓錐過盈配合的計算和選用》(GB/T 15755-1995)和《極限與配合過盈配合的計算和選用》(GB/T 5371-2004)，計算某型電力機車牽引電機小齒輪在退出時的徑向壓力值和軸向壓力值。

徑向壓力值的計算公式：

Px=1.1[Pfmax]

(1)

其中，Pfmax為配合的最大結合壓力：

(2)

軸向壓力值的計算公式：

(3)

其中，Fxe為壓出力：

(4)

設小齒輪為包容件(a)，轉軸為被包容件(i)，經過計算得出，徑向壓力值Px=121.286 MPa，軸向壓力值P=7.94 MPa，壓出力Fxe=36.993 kN。

3.3 工裝設計及強度校核

經過與某和諧型電力機車牽引電機結構對比，某型電力機車牽引電機退小齒輪需重新設計U型工裝和拉桿，結合前面壓出力的計算和拉桿的工藝參數，對拉桿在使用過程中的抗拉強度進行校核。

拉桿材質：30CrNiMo8；抗拉強度σb≥900 MPa。

故拉桿在小齒輪退出過程中可以滿足安全和工藝要求。

3.4 外錐軸無損退小齒輪工藝的建立

根據上文的計算結果，確定徑向泵最大壓力值為122 MPa，軸向泵最大壓力值為8 MPa；查詢中空千斤頂使用手冊，可以承受120 t壓力，滿足安全和工藝要求；小齒輪壓入深度為3.5～3.8 mm，借鑒和諧型電力機車牽引電機的設置，某型電力機車牽引電機退小齒輪時螺母與空心千斤頂之間留8～10 mm間隙。基于上述確定的參數，最終形成某型電力機車牽引電機外錐軸無損退小齒輪工藝，如圖5所示。

圖5 某型電力機車牽引電機外錐軸無損退小齒輪工藝

3.5 外錐軸無損退小齒輪工藝驗證與分析

根據現場驗證結果可知(見圖6和表2)，在使用新的退出工藝方案后可以全部順利退出小齒輪，目視檢查轉軸外錐面無損傷痕跡，接觸率檢測全部在合格范圍內。對于小齒輪退出的瞬時最大壓力，原有工藝的徑向壓力值明顯大于新工藝的徑向壓力值，主要原因在于新工藝的潤滑油已充分覆蓋轉軸錐面，表面潤滑膜有效降低了小齒輪退出時的阻力。

圖6 某型電力機車牽引電機外錐軸退小齒輪優化前后對比驗證

表2 外錐軸無損退小齒輪工藝驗證

4 結語

自2022年1月份使用修訂后的無損退小齒輪工藝，截至2022年3月總共完成217臺某型電力機車牽引電機小齒輪拆卸，轉子外錐軸表面損傷為0，較2020年5.56%的損傷率有顯著的改善。結合上述工藝驗證和現場實踐結果來看，修訂完善后的某型電力機車牽引電機退小齒輪工藝可以實現小齒輪退出的效果，且小齒輪退出過程中未對轉軸外錐面產生損傷，能夠達到無損傷的目標。某型電力機車牽引電機外錐軸無損退小齒輪工藝不僅有利于產品表面質量的提升，還能節省可觀的檢修成本。此外，外錐軸無損退小齒輪工藝標準的建立，可推廣至高原動力集中型動車組牽引電機的分解檢修。