_蓝箭_号机车传动齿轮箱螺栓断裂的原因分析及改进措施.docx

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_蓝箭_号机车传动齿轮箱螺栓断裂的原因分析及改进措施

计 算 ·分 析“蓝箭”号机车传动齿轮箱螺栓断裂的原因分析及改进措施赵利华 ,张开林 ,张红军(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 ,四川 成都 610031)摘要 : 由于铝合金齿轮箱和钢制螺栓的热膨胀系数不同 ,所以在齿轮箱温度升高后要产生附加的温差载荷 。此温差载荷是螺栓失效的根本原因 ,由此依据相关公式提出了改进措施 。通过对 联接螺栓的受力分析 ,确定了螺栓受脉动载荷作用时的安全系数 。原联接结构的安全系数不满足要求 ,改进后的安全系数满足要求 。改进措施是有效的 ,且为以后齿轮箱的设计提供了参考 。关键词 : 传动齿轮箱 ;螺栓 ;断裂 ;温差载荷 ;安全系数中图分类号 : U260 . 332文献标识码 : B文章编号 : 100321820( 2006) 1020013204铝合金由于其密度小、比强度高、耐蚀性好而在汽车、列车、船舶及航空和航天等工业领域得到了广 泛应用。高速列车齿轮箱体采用铸造铝合金制造 , 可减小列车簧下质量 ,减少列车对钢轨的磨耗和损 伤 ,提高列车的运行品质。因此 ,选用铸造铝合金是 高速列车齿轮箱体制造的一个发展方向。但是 ,使 用铝合金制造齿轮箱体存在一系列的问题 ,如许用 应力小、弹性模量低、热变形大、疲劳极限低等。“蓝 箭”号机车自投入运行以来 ,其传动齿轮箱与电机联 接处的螺栓由于受到电机随机振动载荷的作用 ,加 之钢制螺栓和铝合金齿轮箱的膨胀系数不同而造成 的温差附加应力 ,经常发生断裂。为此对螺栓失效 原因进行了研究、探讨并提出了改进措施 ,也为铝合 金传动齿轮箱的设计提供了参考。差载荷 。根据相关公式 ,温差载荷与装配长度成正比 。为了降低温差载荷的作用 ,并同时考虑装配和 密封问题 ,对原联接结构进行了如下改进 : 把铝合 金齿轮箱上的螺栓孔改为沉孔 ,在沉孔中镶入钢制 套筒 ,并使套筒高出齿轮箱表面 4 mm ,使螺栓通过套筒把力传递到齿轮箱上 。改进前后齿轮箱与电 机联接的结构示意图如图 1 、图 2 所示 。1 螺栓受力分析钢制螺栓和铝合金齿轮箱的热膨胀系数不同 ,在温度升高后由于两者之间的约束作用便产生温图 1 改进前收修回稿日期 : 2006203208基金项目 : 长江学者和创新团队发展计划资助项目 ( IRT0452)作者简介 : 赵利华 (1977 —) , 男 , 河北人 , 博士研究生。螺栓规格为 8 . 8 级 M20 ×2 ,材料的屈服强度σs = 640 MPa ,材料的抗拉强度 σb = 800 MPa 。套筒内燃机车2006 年14的外径 30 mm ,内径 22 mm ,长度 150 mm 。图 3 时间 —油温曲线—齿轮正转 ; ┈齿轮反转。图 2 改进后1. 1预紧力绝大多数螺栓联接在装配时都必须拧紧 ,在其 受工作载荷作用前就受到预紧力的作用 ,预紧力适当 ,可提高联接的可靠性和紧密性 ,还可提高联接 件的疲劳强度 。预紧力的大小根据螺栓组受力和联接的工作要求而定 ,参考文献1和2预紧力为F0 = 0. 6σs A s式中 : A s 为螺纹公称应力截面积 。1. 2工作载荷推荐螺栓(1)图 4 螺栓温度场度场 。以 20为 70 ℃、60℃室温为参考温度 ,则螺栓温升系列℃、50 ℃。由于铝合金和钢的膨胀系由齿轮箱的结构和驱动制动单元的装配可知 ,传动齿轮箱与电机联接处螺栓只受轴向振动载荷 作用 。在机车运行中由于横向振动加速度而使螺栓受轴向工作载荷的作用 。轴向工作载荷为数不同 、热变形不一致而使螺栓受到的温差载荷为 CL CF ΔtL (αF - αL )Ft =(3)CL + CFFw = aw gΠZ(2)式中 :下角标 L 代表螺栓 , F 代表被联接件 ; C 为刚度 ;Δt 为温升 ; L 为常温时的装配长度 ;α为膨胀系 数 。1. 4 联接刚度的计算拧紧后螺栓受预紧力 F0 作用 ,工作时还受到 工作载荷 Fw 作用 。螺栓和被联接件都是弹性体 ,联接中各零件受力关系属于静不定问题 。螺栓的 总拉力并不等于 F0 与 Fw 之和 , 而是等于 F0 与CL FwΠ( CL + CF ) 之和 , CL 、CF 分别代表螺栓 、被联 接件刚度 。依参考文献 4推荐的公式进行计算 。被联接件刚度 CF 为铝合金箱体刚度 C1 、带螺纹孔的钢板刚度 C2 、套筒刚度 C3 ( 有套筒时才有此项) 的串联刚度 。改进前后螺栓和被联接件的刚度如 表 1 所列 。式中 : a 为最大横向动载系数 ; w 为齿轮箱质量 ; g为重力加速度 ; Z 为螺栓数目 。本文取动载系数 a = 3 (注 :引自《内燃 、电力机 车转向架构架静强度试验方法》T

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