地鐵齒輪箱吊桿失效分析與對策研究

徐曉東

（常州大學 機械與軌道交通學院，常州 213164）

齒輪箱是地鐵電機動力傳輸的核心部件，能夠將電機牽引力有效傳送到車輛輪軸上，是地鐵良好運行的關鍵零部件[1]。齒輪箱一般采用吊掛的方式安裝在轉向架架構上。該吊掛裝置一般稱為吊桿，其一端安裝在齒輪箱上，另一端連接轉向架架構吊環。工作時，吊桿需要承受車輛運行過程中產生的各類載荷，包括齒輪箱重力載荷、車體振動產生的沖擊載荷以及齒輪傳動產生的動態載荷等。目前，常用吊桿一般都配有緩沖橡膠部件，以減小車輛運行載荷對齒輪箱的沖擊作用，同時保證轉向架架構與傳動系統發生相對運動時能夠及時做出響應，避免影響其他部件的工作。因此，齒輪箱吊桿的結構可靠性是齒輪箱平穩工作及車輛安全運行的保障。

齒輪箱吊桿一般有傾斜吊掛和垂直吊掛兩種方式，這兩種方式在地鐵列車中的應用均較為廣泛[2]。某線路地鐵在檢查中發現不同臺份車輛的3 件齒輪箱吊桿出現斷裂，該吊桿材料為45 號鋼，加工制造及熱處理過程為原材料→鍛造→熱處理→拋丸→磁粉檢測→涂底漆→機加工→鍍鋅（螺紋桿部）→入庫檢查→面漆（厚度不小于120 μm）。其中：熱處理淬火溫度為840～860 ℃，冷卻方式為水冷；回火溫度為530～600 ℃，冷卻方式為空冷；正火溫度為870～890 ℃，冷卻方式為風冷；拋丸采用直徑為2 mm 的鋼珠，處理時間25～30 min。斷裂的吊桿采用傾斜吊掛方式，吊桿頂部為螺紋結構，用螺母連接在轉向架安裝座上。桿身有2 只橡膠緩沖墊，分別安裝在安裝座上下表面。吊桿下端通過球面軸承與齒輪箱連接，斷裂位置出現在該區域附近的圓弧彎角處。

為此，對斷裂吊桿進行外觀檢查，對斷口進行宏觀與微觀觀察、金相檢驗、化學成分檢驗、力學性能檢驗等方面的分析，確定吊桿的斷裂機理，并對其產生原因進行分析，為避免此類事件的再次發生提供有效的分析方法和借鑒。

1 試驗過程分析

1.1 宏觀觀察

齒輪箱吊桿斷裂位置在吊桿結構彎折過渡處，如圖1 所示。斷口可見典型的疲勞弧線和擴展棱線，從棱線匯聚方向可以判斷出源區位于吊桿寬度側面，呈線源，裂紋沿吊桿寬度方向擴展。從源區至距源區約24 mm 范圍，擴展前期斷面平坦，斷口疲勞弧線不典型。從距源區24～47 mm 的斷面處可見典型的疲勞弧線特征。距源區47～82 mm，在吊桿寬度兩側約4 mm 可見疲勞特征，寬度方向中部斷面為粗糙撕裂區。距源區82～90 mm 可見典型的疲勞弧線特征。距源區90 mm 后斷面粗糙，為瞬斷區。吊桿斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖1 齒輪箱吊桿斷裂位置

圖2 吊桿斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

將吊桿斷口經丙酮超聲波清洗后放入掃描電鏡進行觀察。吊桿斷口源區位于表面，呈線源，未見冶金缺陷，在擴展過程中可見疲勞弧線和大量細密疲勞條帶。距源區24～90 mm 的疲勞弧線寬度約為0.10～0.14 mm，瞬斷區為韌窩特征，如圖3 所示。

圖3 吊桿斷口微觀形貌

1.3 金相分析

在吊桿斷口疲勞源區取縱向金相試樣，金相磨面垂直于斷口面，使用4%硝酸酒精溶液浸蝕后進行觀察。在疲勞源區及靠近疲勞源區未浸蝕的位置可以看到細小裂紋，表面存在一些微小的凹坑，沒有發現較大雜質等明顯缺陷。斷口表面浸蝕酒精后，其疲勞源區的顯微組織為全脫碳組織，表面厚度約為0.25 mm，并隨著浸入深度的增加逐步降低至0.05 mm，局部區域略顯不均勻。在疲勞源區下方靠近吊桿內表面的局部區域存在少量塑性變形，同時該區域附近可見數條深淺不一的細小裂紋，這些裂紋從吊桿表面向內部垂直延伸，最深的一條長度約為2 mm。

斷口疲勞源區附近的顯微組織主要可以分成4 個不同的區域，如圖4 所示，由吊桿內表面至芯部區域依次標記為Ⅰ～Ⅳ。以0.2 kg 的力進行打壓試驗。顯微組織Ⅰ的維氏硬度值約為137.0 HV，為吊桿內表面的全脫碳組織。向內逐漸發展為回火索氏體，其中夾雜著呈網狀分布的白色鐵素體，如圖4（b）所示，該部分維氏硬度值約為246.0 HV。繼續向內的顯微組織Ⅲ的維氏硬度值約為265.0 HV，該區域的回火索氏體保持著馬氏體位相。最內部是吊桿的基體組織部分，以回火索氏體為主，分布著少量的白色鐵素體，如圖4（d）所示，該區域的顯微維氏硬度值在250.0 HV 左右。同時，觀察顯微組織可見，斷口區域晶粒較細，表面晶粒度約為8.5 級，內部晶粒度約為9 級，沒有發現異常的非金屬雜物組織結構，其粗系及細系均在0.5 級以內。

圖4 吊桿疲勞區附近的顯微組織

1.4 理化性能分析

根據現行行業通用的理化試驗相關標準，在該斷裂吊桿不同部位采樣并制作試驗試件，依次對吊桿進行化學成分檢測、拉伸試驗、硬度測試以及沖擊試驗等研究[3]。結果表明，該吊桿化學成分符合采購標準的相關要求，但是拉伸試驗中檢測的3 個試樣的屈服強度均低于相關技術要求，其他幾項拉伸性能指標則能夠滿足要求。硬度測試的4 個點位表面碳層硬度平均值為167 HB，遠低201～269 HB 的要求，芯部硬度平均值為228 HB，符合技術要求。另外，沖擊試驗檢驗的3 個試樣的沖擊性均能滿足相關要求。

2 有限元分析

在齒輪箱傳動系統中，通過吊桿連接將齒輪箱懸掛于轉向架構架上，吊桿在工作中不但承受齒輪箱使用過程中的拉壓載荷，還承受各種沖擊載荷。為了分析吊桿的強度是否滿足設計要求，并分析吊桿的應力分布情況，為設計改進提出意見和建議，需要計算分析吊桿的靜強度[4]。

采用Pro/Engineer 軟件進行三維建模，將模型導入有限元軟件，進行結構化網格劃分，得到有限元計算模型。然后對吊桿進行受力分析，計算不同工況下吊桿承受的拉力或壓力值，并對模型施加相應的約束與載荷，得出額定工況和啟動工況下吊桿的應力分布，計算結果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 額定工況吊桿受拉（左）壓(右)時的應力云圖（單位：MPa）

圖6 啟動工況吊桿受拉（左）壓(右)時的應力云圖（單位：MPa）

由圖5 和圖6 可知，在額定工況下吊桿最大應力為132.5 MPa，啟動狀態下最大應力為167.8 MPa，均小于材料的屈服強度，能夠滿足吊桿強度的設計要求。

3 結果分析與對策

吊桿斷裂位于結構彎折過渡處，斷口源區位于彎折內側邊緣，擴展區可見典型的疲勞弧線和疲勞條帶，由此可判斷吊桿的斷裂性質為疲勞破壞[5]。吊桿根部位于彎折內側邊緣，呈線源，表明其起始應力相對較大。同時，吊桿斷口擴展中后期可見大量的快速撕裂特征，說明吊桿受力較大。根據實際工況，該地鐵線路電機功率大，且受力較大，較其他線路高出10%～20%，在運行36 萬～56 萬km 期間發生3 起共模故障，分析認為可能是線路運行狀態下吊桿疲勞裕度偏低導致。

由金相分析可知，吊桿表面存在拋丸裂紋和0.3 mm 范圍的脫碳層，脫碳區硬度為167 HB，遠低于芯部硬度的228 HB，對吊桿的疲勞開裂起到促進作用。由于外場運營的各吊桿制造狀態相似，其他地區的吊桿并未發生類似故障，分析認為吊桿表面脫碳并不是本次吊桿發生疲勞失效的根本原因。經有限元計算，吊桿在額定與啟動兩種工況下最大應力點均位于斷裂拐角處，但其最大應力值均能夠滿足吊桿強度的設計要求。

根據分析，制定相應的解決對策?？商岣叩鯒U拐角處的R 值，優化結構設計，增加吊桿拐角處的加工余量，對拐角處進行車加工以去除脫碳層，并將拋丸改為噴丸強化處理。同時，將吊桿材質從45 號鋼換成強度和韌性更好的42CrMo 鋼，縮短對現服役吊桿的磁粉探傷排查周期，及時更換存在疲勞裂紋的吊桿，并在后續大修期全部更換該批次吊桿。

4 結語

吊桿斷裂性質為疲勞破壞，疲勞斷裂與吊桿在該線路運行時疲勞壽命裕度偏低有關，表面淺層脫碳對吊桿疲勞斷裂起到促進作用。為此，進行金相分析、理化性能分析和有限元分析，查找斷裂原因，并提出相應解決方案，避免后續運行中再出現此類問題。