庞巴迪CX-100型车辆牵引电机联轴节故障原因分析及解决措施

胡铁军，华 海

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510000）

1 概述

广州地铁珠江新城核心区旅客自动输送系统APM线（Automated People Mover）采用美国庞巴迪CX-100型车辆，该车型采用直流牵引电机传动，电机型号为庞巴迪1460-P4，该型电机于2016年达到架修期。广州地铁于2016年陆续将该型直流电机送往电机厂家进行委外维修，在2017年初，APM线发生了一起因委外维修后的牵引电机联轴节脱落导致区间清客的事件，对APM线运营安全造成了重大影响。为了找出本起故障的根本原因，彻底消除其他已完成委外维修的电机的同类安全隐患，通过理论计算和试验分析，找到了故障原因，对已完成委外维修的电机进行了复核检查，并针对后续维修提出了相应的解决措施。

2 故障分析

该起故障为委外维修后的电机出现了故障，经过对联轴节、电机轴、轴端紧固螺母等进行详细检查后，初步判断故障原因为联轴节套装过盈量不足。为查找联轴节套装过盈量不足的根本原因，本文先从本次委外维修与其他电机委外维修的区别开始分析，通过理论计算和试验来逐步分析故障原因。

2.1 本次委外维修与其他电机委外维修的区别

通过对比其他电机委外维修情况，可以发现本次委外维修的区别在于：

（1）庞巴迪公司出于技术封锁和商务利益考虑，不向广州地铁提供电机维修相关的任何资料；

（2）为了打破技术封锁，节省维修成本，广州地铁将电机委托给国内具有大型电机维修经验、业绩项目良好的厂家进行技术参数测绘和工艺研究，并实施维修。

经初步测量，再结合国内同类型电机材质参数对比，基本确定委外维修厂家的技术参数测绘结果正确。下文将根据技术参数测绘结果论证维修工艺中联轴节套装过盈量的准确性。

2.2 影响联轴节套装过盈量的因素分析

根据电机轴与联轴节的套装工艺[1]可知，影响联轴节套装过盈量的关键因素有六个，分别为：

（1）联轴节套装过盈量由轴向套入量来保证，所以联轴节套入量是一个至关重要因素；

（2）电机轴锥面圆跳动；

（3）联轴节内孔与轴锥面有无拉伤/毛刺等异常；

（4）联轴节探伤检测结果；

（5）电机轴锥面与联轴节内孔的接触面积；

（6）联轴节加热温度与保温时长。

下文将对以上六个关键因素逐一进行分析。

2.2.1 联轴节套入量

2.2.1.1 联轴节套入量的理论计算

庞巴迪1460-P4型电机通过外锥度轴与联轴节配合（即轴锥配合）后牵引负载，该型电机额定功率75 kW，额定转速2 200 r/min，其额定转矩为326 N·m[2]。由于该电机缺少起动特性以及短路转矩等参数，计算时为了保证轴锥配合在不超出材料强度条件下保证传递力的可靠性，该电机按814 N·m（按同类电机最大转矩倍数2.5倍计算得出）的最大转矩对轴锥配合进行设计[3]。

表1 外锥度轴与联轴节配合基本尺寸及电机转矩参数

计算过程如下：

传递载荷需要的最小压力：

同理，可计算出零件不产生塑性变形允许的最大有效过盈量（考虑装入压平的影响）δmax=0.244 mm。

联轴节套入量为H=δ×9.6，为1.2～1.4 mm。

2.2.1.2 联轴节套入量的实际校核

为了确认已完成委外维修的电机的联轴节套入量大小，对19台电机（其中本次故障前维修14台、故障后维修5台）进行了复核检查，复核检查严格按照电机联轴节的拆装工艺和流程[1]进行，重点记录复核前后轴端面与联轴节端面的尺寸A（见图1）和联轴节套入量，表2是复核前后轴端面与联轴节端面的尺寸A记录表。

图1 轴端面与联轴节端面的尺寸A

对于实际套装或复核作业，联轴节的套入量由套装过程中的冷态套装尺寸A冷和热态套装尺寸A热这两个关键参数决定，联轴节套入量=A热-A冷。而冷态套装尺寸A冷是一个过程量，热态套装尺寸A热是一个结果量，也就是在实际套装或复核作业完成后只能重复检测到热态套装尺寸A热。

通过表2的对比，可以得出如下几个结论。

本次复核作业后联轴节的套入量与理论计算结果一致，达到了1.2～1.4 mm的标准。

通常情况下，每经过一次作业，电机轴的外径会稍微减小，联轴节孔的内径会稍微变大，这时A'≤A，差值≤0.2 mm。本次故障前维修的14台电机的轴端面与联轴节端面的尺寸对比为：A'＜A，差值在0.42～1.38 mm之间，远超出≤0.2 mm的范围。说明这14台电机的原套入量不达标，可能套入量小了0.22～1.18 mm。

表2 复核前后轴端面与联轴节端面的尺寸A和轴端突出量记录表

（3）本次故障后维修的5台电机的轴端面与联轴节端面的尺寸对比为：A'≤A，差值在0～0.1之间，符合≤0.2 mm的范围。说明这5台电机的原套入量达标。

（4）复核前后19台电机的套入量散点图见图2，套入量必须在1.2～1.4 mm的范围内才达标，正偏离则会导致联轴节内孔损伤，负偏离则会导致过盈量不足，两者最终都会导致电机轴与联轴节的过盈配合失效。

通过对联轴节套入量进行理论计算，并结合实际复核数据分析后，可知本次牵引电机联轴节套入量不足，合格率为26.32%。

图2 复核前后套入量的散点图

2.2.2 电机轴锥面圆跳动

电机轴锥面圆跳动的复核检查结果见表3，全部符合小于0.06 mm的标准，说明电机轴锥面圆跳动符合技术要求，合格率为100%。

表3 电机轴锥面圆跳动的复核检查结果

2.2.3 联轴节内孔与轴锥面有无拉伤/毛刺等异常

退卸所有电机的联轴节检查时，发现大修出厂序号为160303的电机（装车位置为03车1#）联轴节内孔拉伤（见图3），必须进行表面加工处理。经过着色探伤、磁粉探伤检查未发现裂纹，后经研磨处理，使电机锥度轴与法兰内孔接触面积大于80%，最终套入量为1.20 mm，符合标准。

除1台电机发现异常外，其他电机未发现联轴节或锥度轴存在拉伤的情况，合格率为94.74%。

2.2.4 联轴节探伤检测结果

对所有联轴节外表面进行磁粉探伤，联轴节内孔面进行渗透探伤检测，探伤检测结果均合格，合格率为100%。

图3 法兰内孔拉伤

2.2.5 电机轴锥面与联轴节内孔的接触面积

利用红丹粉检查电机轴锥面与联轴节内孔的接触面积，所有接触面积均大于80%，合格率为100%。

2.2.6 联轴节加热温度与保温时长

联轴节加热温度与保温时长是套入量多少的直接保证。如果加热温度与保温时长不足，电机轴或联轴节的弹性变形量会不足，从而直接导致套入量小；如果加热温度与保温时长超标，电机轴或联轴节会发生塑性变形，从而导致电机轴或联轴节失效[5]。所以必须严格控制加热温度和保温时长，但其是一个过程量，不能复盘检测，从联轴节套入量不合格率为73.68%，可以推测出故障前维修的14台电机没有严格控制加热温度和保温时长。

2.3 联轴节套装过盈量的不足的原因分析

将上文影响联轴节套装过盈量的六个关键因素的复核结果绘制成图4，可知联轴节套装过盈量不足的原因为：

图4 联轴节套装过盈量的六个关键因素的复核结果

联轴节套入量不足是导致过盈量不足的直接原因；

没有严格控制联轴节的加热温度与保温时长可能是导致过盈量不足的根本原因；

联轴节内孔与轴锥面有拉伤/毛刺等异常，未经过精细加工处理，降低了过盈配合度。

3 解决措施

结合故障原因和联轴节套装工艺，本文对后续维修电机的验收与保障提出如下措施。

要求维修厂家对联轴节套入量、电机轴锥面圆跳动、联轴节内孔与轴锥面有无拉伤/毛刺等异常、联轴节探伤检测结果、电机轴锥面与联轴节内孔的接触面积、联轴节加热温度与保温时长等六个关键工序环节进行全面质量监控，提供详细的维修工艺卡片，必要时可要求维修厂家提供维修作业视频资料。

完善牵引电机维修后的现场验收措施，将测量轴端面与联轴节端面的尺寸A、螺母扭矩与螺钉紧固等作为必检项目。

维修后的电机上线运营初期要强化检查，对牵引电机联轴节、圆螺母与轴进行划线，加密检查频次，完善设备运营跟踪记录。