內(nèi)置軸箱式轉(zhuǎn)向架軸箱軸承定位擋圈失效分析

李國(guó)棟,王文華,薛文根,崔冬杰

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062)

1 概述

軌道車輛轉(zhuǎn)向架是支承車體、傳遞牽引及制動(dòng)力的重要零部件，通常由輪對(duì)軸箱裝置、第1系懸掛減振裝置、構(gòu)架裝置、第2系懸掛減振裝置、牽引及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成。軸箱在車輪外側(cè)裝配時(shí)稱為外置軸箱轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，由于外側(cè)空間受限或其他設(shè)備影響，需將軸箱設(shè)計(jì)到車輪內(nèi)側(cè)，該結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)置軸箱輪對(duì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 內(nèi)置軸箱懸掛的輪對(duì)結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)置軸箱結(jié)構(gòu)由內(nèi)側(cè)擋圈、軸承、外側(cè)擋圈、車輪部分組成，如圖2所示，通過軸承內(nèi)側(cè)定位擋圈與車軸擋肩軸向壓緊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)軸向定位。軸箱軸承為雙列圓錐滾子軸承，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：內(nèi)徑140 mm，外徑220 mm，寬150 mm。在裝配完成后，貼合面A，B均存在較大的軸向壓緊力，但實(shí)際運(yùn)行過程中，特別是在車輛超載工況下，內(nèi)側(cè)定位擋圈會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，并在貼合面A處出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使車軸擋肩磨耗成階梯狀(圖3)，從而使軸承失去軸向定位作用。故有必要對(duì)軸箱軸承定位擋圈失效原因進(jìn)行分析。

圖2 軸箱軸承裝配后結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 內(nèi)側(cè)定位擋圈與車輪擋肩磨損圖

2 定位擋圈失效原因分析

2.1 輪對(duì)結(jié)構(gòu)分析

在車輛運(yùn)行過程中,內(nèi)置軸箱輪對(duì)結(jié)構(gòu)的受力如圖4所示，內(nèi)置軸箱承受來自車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的徑向載荷，經(jīng)軸承作用于車軸軸承座。車輪踏面受到軌道豎直向上的徑向約束，可視為經(jīng)彈性車輪作用于車軸的輪座。作用于軸承座的載荷與輪座的約束之間會(huì)形成力矩，在以左右兩側(cè)車輪為支承點(diǎn)形成方向相反的力矩作用下，車軸會(huì)向下微微彎曲，導(dǎo)致貼合面A，B的軸向壓力卸荷，甚至為0，貼合面之間的壓力循環(huán)變化也會(huì)導(dǎo)致貼合面的微動(dòng)磨損。當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，定位擋圈與車軸擋肩之間的軸向壓緊力會(huì)完全卸荷，從而導(dǎo)致?lián)跞λ蓜?dòng)，車軸磨損加劇 。

圖4 內(nèi)置軸箱輪對(duì)受力示意圖

2.2 內(nèi)側(cè)定位擋圈與車軸配合分析

軸承內(nèi)側(cè)定位擋圈與車軸的配合關(guān)系如圖5所示，擋圈與車軸為間隙配合，定位擋圈通過壓緊力軸向定位，徑向和周向因間隙配合沒有定位，當(dāng)軸向壓緊力卸荷時(shí)，定位擋圈在徑向會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，造成車軸接觸區(qū)磨損。

圖5 內(nèi)側(cè)定位擋圈與車軸配合示意圖

2.3 仿真分析

車軸材料為EA4T(EN13261)，擋圈材料為C40(EN10083)，彈性模量均為206 GPa，泊松比均為0.3。

軸承定位擋圈的徑向壓緊力為壓裝軸承時(shí)的外載荷減去因其自身與車軸過盈產(chǎn)生的阻力，外載荷一般設(shè)定為400 kN，保壓5 s后卸載。而軸承過盈配合產(chǎn)生的阻力一般要求不小于120 kN。當(dāng)軸承與車軸過盈配合取最小阻力時(shí)，軸承擋圈端面壓緊力取最大值280 kN。模擬實(shí)際運(yùn)行工況，內(nèi)側(cè)定位擋圈等效應(yīng)力分布如圖6所示，由圖可以看出：內(nèi)側(cè)定位擋圈大部分區(qū)域在實(shí)際運(yùn)行工況下已卸載，與車軸擋肩的壓緊力為零，擋圈的局部等效應(yīng)力最大值僅為11.12 MPa，表明相鄰零件對(duì)定位擋圈的約束很小，擋圈存在松動(dòng)的可能性。

當(dāng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，貼合面A與軸肩接觸面在接觸區(qū)和非接觸區(qū)交替變化，長(zhǎng)時(shí)間微動(dòng)會(huì)導(dǎo)致車軸磨損和定位擋圈失效。

3 改進(jìn)措施

設(shè)計(jì)定位擋圈與車軸為過盈配合結(jié)構(gòu)，以保證在擋圈端面卸荷后不發(fā)生徑向磨損，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖7所示。模擬實(shí)際運(yùn)行工況，內(nèi)側(cè)定位擋圈等效應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖可知：局部等效應(yīng)力最大值為35.57 MPa，是原結(jié)構(gòu)的3倍，且定位擋圈大部分區(qū)域均存在壓緊力，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)相鄰零件對(duì)擋圈約束更強(qiáng)。

圖7 內(nèi)側(cè)定位擋圈與車軸過盈配合示意圖

圖8 改進(jìn)后內(nèi)側(cè)定位擋圈等效應(yīng)力云圖

同時(shí)，軸承內(nèi)側(cè)定位擋圈增加了凸緣結(jié)構(gòu)，該凸緣與車軸擋肩過盈配合，如圖9所示。

圖9 內(nèi)側(cè)定位擋圈凸緣結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

分析了某內(nèi)置軸箱式轉(zhuǎn)向架軸箱軸承內(nèi)側(cè)定位擋圈發(fā)生松動(dòng)的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。將改進(jìn)后的內(nèi)側(cè)定位擋圈裝車使用后，定位擋圈未出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，說明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)滿足使用要求。