SDB80型地鐵車輛軸箱軸承壓裝問題分析

李茂原

摘?要：對SDB80型地鐵車輛軸箱軸承壓裝劃傷問題、壓裝曲線跳噸進行分析，根據(jù)摩擦潤滑、摩擦振動理論和實踐經(jīng)驗，提出解決問題的措施。

關(guān)鍵詞：軸箱軸承;壓裝;跳噸;劃傷;分析

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.17.095

1?引言

中車四方股份公司設(shè)計的SDB80型地鐵車輛應(yīng)用于多個城市軌道交通項目，車輛軸箱軸承采用壓裝的方式組裝。在車輛架、大修軸承檢修退卸過程中，發(fā)現(xiàn)少數(shù)軸承、車軸存在劃傷問題。以往軸箱軸承的壓裝使用移動式壓力機，壓裝力從壓力表上讀取，壓裝過程力不能實時記錄，難以提前發(fā)現(xiàn)壓裝潛在質(zhì)量問題。2016年開始，公司采用能實時記錄壓裝力并繪制壓力曲線的壓力機壓裝，通過研究壓力曲線，發(fā)現(xiàn)部分軸承壓裝過程中壓力曲線上升異常及壓力曲線存在壓力波動（跳噸）問題。其中壓裝力上升異常的軸承退卸后，車軸、軸承易存在劃傷問題，劃傷嚴重的車軸及軸承不能修復(fù)導致產(chǎn)品報廢，壓力波動（跳噸）導致產(chǎn)品組裝合格率降低，造成返工。因此，研究解決軸承壓裝壓力上升異常、跳噸問題對于降低軸承退卸劃傷率、提高軸箱軸承壓裝合格率有重要意義。

2?軸箱軸承壓裝簡介

軸箱軸承壓裝過程為：清潔車軸軸頸并在距軸端60mm的范圍內(nèi)涂抹二硫化鉬潤滑劑，利用車軸端部三個螺孔及中心孔在車軸端部定位組裝軸端引導工裝，將軸承預(yù)組到軸端引導工裝上，然后用壓力機推動組裝套圈將軸承壓入到車軸上（見圖1）。壓裝設(shè)備有移動式壓力機和固定式壓力機兩種：移動式壓力機可以自由移動，壓裝時通過壓力表讀取壓力值，壓裝時一次只能壓裝車軸的一端;固定式壓力機不能移動，具備實時顯示、記錄壓力功能，壓裝時車軸兩端可以同時壓裝。

3?存在問題

通過對固定式壓力機軸箱軸承壓力曲線進行分析，壓裝過程主要存在以下問題。

（1）壓裝力上升異常（見圖2），退卸后，車軸及軸承易出現(xiàn)劃傷，個別車軸、軸承劃傷嚴重，不能繼續(xù)使用。

（2）壓裝曲線出現(xiàn)跳噸現(xiàn)象，波動明顯（見圖3），在曲線波動過程中，軸承相對于車軸時進時停，出現(xiàn)振動現(xiàn)象。跳噸的軸承退卸后一般無劃傷，但有的項目對壓力曲線有要求，影響壓裝合格率。

4?原因分析

4.1?影響軸箱軸承壓裝力的因素

軸承在壓裝過程中受力情況如下：

當軸承壓入車軸軸頸中時，壓裝力F主要包括兩部分：一部分是軸承內(nèi)圈與車軸軸頸配合部位因徑向正壓力產(chǎn)生的動摩擦力F1;另一部分是車軸、軸承引導端斜角分別克服軸承、車軸彈性變形產(chǎn)生的軸向力F2。

F1的大小可用下式近似計算：

F1≈πdLpμ≈πdLμδE（R2-r2）/（4R2r）（1）

式中，d：車軸直徑，L：結(jié)合面的長度，p：徑向正壓力，δ：過盈量，E：彈性系數(shù)，R：1/2軸承內(nèi)圈外徑，r：1/2軸承內(nèi)圈內(nèi)徑，μ：摩擦系數(shù)。

對于該型軸承及車軸，d、δ、E、R、r均為定值。勻速壓裝過程中，L的數(shù)值隨著壓裝的進行均勻增加，μ主要與潤滑劑的選用及涂抹狀態(tài)有關(guān)。

F2的存在導致壓力曲線起點陡升以及曲線末端因軸承內(nèi)圈已逐漸完全壓入所產(chǎn)生壓力下降。

正常的壓力曲線前端起點陡升后基本沿一定的斜率上升，并在曲線的末端出現(xiàn)一定的緩慢下降，見圖4。

4.2?壓裝力異常上升原因分析

壓力異常上升的曲線（見圖3）主要存在以下幾個問題：（1）起點陡升過高。（2）起點陡升后曲線上升斜率過大，或者出現(xiàn)斜率逐漸變大的情況。（3）曲線末端無壓力降低現(xiàn)象。

異常上升的壓力曲線表明在正常的壓裝力以外，出現(xiàn)了一個額外的力阻礙軸承與車軸間相對移動，此種情況下，車軸及軸承配合表面大概率存在劃傷問題。因為壓裝過程車軸、軸承劃傷后，需要更大的力克服車軸與軸承表面劃傷產(chǎn)生的塑性變形，而且劃傷的程度會隨著壓裝的進行逐漸擴大，所需要增加的壓裝力也越來越大。

造成這種現(xiàn)象有以下可能的原因：

（1）在壓入過程中，軸承未能對中，軸承與車軸配合部位徑向受力不均勻，受力大的部位潤滑膜破壞，車軸與軸承內(nèi)圈局部黏著損壞。經(jīng)過調(diào)查，對壓裝軸承的工裝及設(shè)備進行檢查，可以排除軸承未能對中的可能。

（2）車軸軸頸前端或軸承內(nèi)圈引導端過渡存在加工接刀尖角，未圓滑過渡，使壓裝前端引導角度增加，壓裝引入瞬間，車軸引導端克服軸承內(nèi)圈彈性變形及軸承內(nèi)圈克服車軸彈性變形產(chǎn)生的軸向力F2增大，壓裝曲線前端可以看出出現(xiàn)較大的陡升。軸向力增大使得局部潤滑膜承受壓力加大，潤滑膜易被破壞，潤滑膜破壞后，在壓裝過程中沒有新的潤滑劑補充，車軸與軸承內(nèi)圈會發(fā)生黏著損壞。

該車型車軸前端引導斜角為1：3～1：5，過渡部分在車床上圓滑打磨，不存在接刀尖角。軸承內(nèi)圈引導部位圖紙上為最小R2.1mm的圓角，實際軸承圓角未能與內(nèi)圈表面圓滑過渡，有一個過渡區(qū)，存在輕微尖角，具體見圖5。該軸承壓裝時，僅在車軸上距軸端60mm范圍內(nèi)涂抹二硫化鉬。

壓裝開始后，車軸引導與軸承引導接觸，隨后車軸引導與軸承引導分別與車軸軸頸、軸承內(nèi)圈接觸并相對移動，因車軸初始涂抹潤滑劑較厚，軸承內(nèi)圈將潤滑劑在車軸軸頸表面推動并在軸承引導端與車軸結(jié)合部聚集，此時潤滑劑在車軸軸頸表面從軸承引導端到車軸引導端逐漸變少，見圖6。

當軸承引導端存在尖角時，軸承內(nèi)圈經(jīng)過的車軸部位潤滑油膜易磨損破壞，車軸與軸承內(nèi)圈表面潤滑惡化，特別是車軸引導端最為惡劣，隨著壓裝的進行，車軸引導端與軸承內(nèi)圈最先開始發(fā)生黏著劃傷，隨后劃傷進一步擴大（見圖7）。

4.3?壓力曲線跳噸原因分析

跳噸現(xiàn)象是一種復(fù)雜的摩擦振動現(xiàn)象，由于摩擦副的支承彈性影響，滑動摩擦過程中常出現(xiàn)摩擦振動。發(fā)生摩擦振動的宏觀條件是存在下降的摩擦系數(shù)速度特性，在一定的速度范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)隨速度增大呈現(xiàn)下降現(xiàn)象。

國內(nèi)有研究表明，產(chǎn)生壓裝跳噸的原因為壓裝臨界速度V0大于組裝速度。V0可以用下式近似計算：

V0=πdLδEΔf（R2-r2）8rR2πξkm（2）

其中ξ為阻尼比，k為傳動系統(tǒng)的剛度，與設(shè)備有關(guān)，Δf為車軸與軸承結(jié)合面動、靜摩擦系數(shù)之差。

從公式（2）可以看出，在車軸、軸承及設(shè)備選定的情況下，m、k、ξ、E、d、R、r、δ均為定值。臨界速度隨著壓裝行程L的變大而變大，在壓裝后期，易出現(xiàn)臨界速度大于壓裝速度的情況，就會產(chǎn)生跳噸現(xiàn)象。Δf為車軸與軸承結(jié)合面動、靜摩擦系數(shù)之差，潤滑方法的改變也能對軸承跳噸現(xiàn)象產(chǎn)生影響，充分潤滑的情況下，動靜摩擦系數(shù)差相對較大，潤滑不充分的條件下，動靜摩擦系數(shù)差值相對較小。

5?改進措施

從以上各影響因素綜合分析，通過改進軸承引導角、改善潤滑方法可以減少壓裝劃傷的問題。通過降低車軸與軸承配合表面動靜摩擦系數(shù)、提高壓裝速度可以減少壓裝過程中的跳噸現(xiàn)象，具體改進措施如下。

（1）改進軸承引導角，在軸承內(nèi)圈的加工要求中增加打磨要求，將軸承引導部分的圓角與內(nèi)圈內(nèi)徑接觸部位圓滑打磨處理，見圖8所示。

（2）改善潤滑，針對壓裝過程中車軸引導端相對潤滑不良的情況，同時考慮到避免潤滑劑對軸承油脂的污染，在軸承引導端20mm范圍內(nèi)涂抹蓖麻油，在壓裝過程中，蓖麻油會在車軸引導端聚集，改善車軸引導端的潤滑，改善后壓裝過程中的潤滑情況見圖9。

（3）提高壓裝速度，使壓裝速度大于突進的臨界速度V0。

改善潤滑后，車軸與軸承表面動靜摩擦系數(shù)差增大，壓裝過程中軸承更容易突進。通過試驗驗證，將軸承壓裝速度由90mm/min提高到150mm/min，該型軸承的壓裝跳噸問題得到很好的改善，軸承跳噸率降低到4%以內(nèi)。

6?實施效果

通過采取上述改進措施，有效避免了軸承壓裝時壓力上升異常、車軸與軸承劃傷問題，降低了壓力曲線跳噸現(xiàn)象，使軸承壓裝一次合格率達到96%，有效控制了軸箱軸承壓裝質(zhì)量，產(chǎn)生顯著的社會效益及經(jīng)濟效益。

參考文獻

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