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hxd1型交流传动电力机车牵引电机轴断裂故障分析

牵引电机转轴与小齿轮轴断裂故障

湖东能源机械厂为hxd1通信装置，负责诱导2万吨秦线重大挺拔的列车。自2010年5月起，hxd1机车先后发生了12辆干扰电机发动机和小齿轮动力的故障，严重威胁了重型机车的安全。牵引电机是机车机械走行部的最关键部件,出现如此严重的轴断裂问题后果是十分可怕的,因此,必须尽快研究分析加以解决,防止势头蔓延已刻不容缓。

1电机的结构与性能

HXD1型机车牵引电机为交流异步牵引电机,有2种型号,进口的电机型号为1TB2624-0TD02,国产化的电机型号为JD160,2种电机结构与性能完全一致。

1.1电机转向轴与主缸轴之间的误差统计

电机转轴与主动齿轮轴断裂故障具体统计见表1。

1.2牵引电机轮轴断裂长

2010年5月18日HXD10144机车在整备作业时,发现A3位齿轮箱合口处漏油,5月19日入库开齿轮箱检查发现电机小齿轮外窜15mm,解体发现牵引电机转轴及小齿轮轴断裂(见图1、图2)。

2010年7月11日HXD10165机车在整备作业时,发现B4位齿轮箱合口处有过热及轻微变形现象,7月12日入库开齿轮箱发现电机小齿轮外窜14mm,大小齿轮磨损严重,解体发现牵引电机转轴及小齿轮轴断裂。

随后,自2010年8月3日至2011年3月4日,又相继发生了9起电机转轴及小齿轮轴断裂。

1.3东北方公司的齿轮

湖东电力机务段共配属220台HXD1型机车,从西门子原装进口驱动装置70台(其中整体进口48台,南车株洲电力机车有限公司散件组装22台),其余150台机车齿轮为国内2家公司生产。

2牵引轴误差分析

2.1高温回收试验

转轴材料为40CrNi2MoA,热处理规范为淬火+高温回火,强度要求为900~1100MPa。小齿轮材料为17CrNiMo6,热处理规范为淬火+低温回火,强度约为1350MPa,心部硬度约为HRC44。

2.1.1小齿轮断口及其磨损

转轴及小齿轮轴断裂发生在距转轴外端面约56mm深的位置,处于轴承内圈中部(轴向看)的油槽部位。小齿轮断面与转轴断面存在3~4mm的高度差,也基本沿横向断裂,但断面为曲面,中间部位凸出一定的高度(另一边下凹),呈现为皿状断口。转轴断口附近靠小齿轮轮齿一侧外圆与轴承接触部位无明显的磨损,靠电机一侧外圆与轴承接触部位出现了严重磨损。断口两侧外圆磨损程度不一致,说明磨损是在转轴开裂后才出现的。

2.1.2疲劳源区特征疲劳疲劳轨迹分析

图1所示转轴及小齿轮轴断裂断口均为疲劳断口(如无另外说明,以下对断口特征的描述均是针对小齿轮一侧的断口)。转轴断裂方向为横向,位置处于与小齿轮油槽交界处,断口附近无明显宏观塑性变形,局部可见较明显的台阶,整个断面平整且大部分存在氧化色。

转轴疲劳断裂源区处于内圆与小齿轮外圆油槽交界处,为线源,源区中心与小齿轮径向油孔呈近30°的夹角(逆时针方向),源区可见多个小的疲劳台阶,疲劳向外圆径向及两侧周向扩展,疲劳扩展区前期(靠源区附近)平整,看不到明显的疲劳弧线。可见多处小的疲劳台阶扩展一定程度后(疲劳扩展区中前期)可见较模糊的疲劳弧线,其中对应于源区的靠外圆位置可见较模糊的与外圆平行的疲劳弧线。转轴疲劳源区对应位置靠外圆且与外圆平行的疲劳弧线周向扩展的两侧的弧线沿疲劳源区中心基本对称分布,且与圆周方向均呈一定角度的夹角,见图3;转轴疲劳扩展中前期疲劳弧线与外圆呈一定夹角(右侧,箭头为疲劳扩展方向)。疲劳扩展区后期疲劳弧线明显,其方向也为由内向外侧周向扩展。疲劳瞬断区域即最后断裂位置处于转轴外圆,与源区对应180°位置呈约30°的偏角(左侧逆时针方向偏转),最后断裂位置区域很小,只是在很浅的表面存在剪切唇。

转轴最后断裂处经超声波清洗后,发现转轴整个断面颜色存在一定的层次性:疲劳源区及疲劳扩展区前期颜色呈灰黑色,局部还有黑色的氧化物或积碳产物;疲劳扩展区中后期存在黑褐色的氧化物或积碳产物;疲劳扩展区最后颜色呈浅棕色;最后断裂位置区域呈现为较纯的金属色。

小齿轮疲劳源区,处于径向油孔外圆位置,实际上是从油孔与外圆油槽2个交界转角处起始,为2个点源,源区均平坦;小齿轮疲劳源区特征疲劳沿径向及两侧周向扩展,疲劳扩展区前期可见较明显的疲劳弧线;中后期其疲劳弧线很明显,局部可见小的疲劳台阶,由于周向油槽应力集中的影响,使得在小齿轮外圆疲劳扩展速度快,在内部疲劳扩展速度慢,从而在断面上局部显示为反向的疲劳弧线。

另外疲劳扩展中疲劳弧线显示为区域分布,各区域断面颜色存在层次差异,其弧线也相互不连贯,说明各疲劳扩