動車組塞拉門擺臂滾輪失效原因分析及改進措施

摘要：擺臂滾輪在塞拉門的運動中起導向作用，其斷裂失效會導致車門運動卡滯甚至無法打開或關閉。鑒于此，針對動車組塞拉門上的擺臂滾輪破損故障進行調研，排查、分析滾動軸承失效的根本原因，并針對性提出改進措施，以確保塞拉門故障得到有效排除。

關鍵詞：動車組;塞拉門;故障分析;軸承

0 引言

塞拉門系統是軌道車輛的重要組成部分，門扇下導軌與安裝在車體上的擺臂組件滾輪配合，保證了門扇下部塞拉運動的平穩性。動車組塞拉門運用過程中頻繁發生因擺臂滾輪失效而引起的車門運動卡滯故障，因此提高擺臂滾輪的可靠性對塞拉門的運用有重要意義。本文以一起典型動車組塞拉門滾輪破損故障為案例，分析滾輪失效的原因并提出改進措施。

1 問題描述

擺臂組件安裝在車體下部，其與門扇下導軌配合的方式如圖1所示，其中擺臂體水平安裝，導軌體豎直安裝，安裝后1#滾輪和2#滾輪在下導軌外側表面滾動，3#滾輪在下導軌內側滾動。

車門下部運動卡滯，將下擺臂拆除后發現其中一處滾輪破裂，對故障件進行外觀檢查，發生破損的為3#滾輪，如圖2所示，可見滾輪軸承外圈斷裂。

經調查，截至故障發生時間，故障件使用時間未超過17個月，遠未達到滾輪的預期使用壽命（12年）。對圖2中滾輪斷口A處進行檢查，發現了典型應力裂紋，如圖3所示。

2 故障件失效原因分析

依據標準《滾動軸承 損傷和失效 術語、特征及原因》（GB/T 24611—2020）[1]中的描述，可定義故障件失效形式為斷裂。標準列舉了失效特征為“貫穿裂紋、斷裂”時的可能原因，如表1所示。

下面對表1中所列的可能原因逐一進行排查。

2.1? ? 設計選型分析

常規向心滾動軸承的承載能力由徑向基本額定動載荷Cr和徑向基本額定靜載荷Cor決定[2]。塞拉門滾輪軸承的設計選型要求為：基本額定動載荷Cr=5.0 kN，基本額定靜載荷Cor=2.7 kN。滾輪主要受力發生在車門直線運動段，此時1#和2#滾輪提供門扇下部的支撐力，3#滾輪理論上不受力，門扇受力狀態示意圖如圖4所示。

下面對滾輪軸承所受靜載荷以及壽命進行校核。

2.1.1? ? 靜載荷分析

車門打開狀態時，門扇與攜門架連接，一并安裝在長導柱上，并且可繞長導柱旋轉，假設此時僅擺臂組件上的一處滾輪與門扇接觸并提供支撐力，參考圖4中受力狀態，此時滾輪承受的理論最大徑向載荷Fr與門扇所受重力G之間存在關系：

結論：由計算結果可知，軸承運動壽命L10遠大于門系統使用需求。

根據以上分析可知，滾輪軸承的選型參數滿足使用工況，且有足夠的安全冗余。

2.2? ? 工作條件分析

由上文分析可知，車門正常工作時滾輪承受的載荷遠小于基本額定載荷，并且此時車輛處于停止狀態，滾輪不存在振動工況;當車輛運行時，車門鎖閉，門扇被輔助鎖壓緊，此時擺臂組件不承受載荷。因此，故障原因與滾輪軸承工作條件無關。

2.3? ? 零件尺寸精度檢測

滾輪外形尺寸設計要求如圖5所示，對軸承輪外圈關鍵尺寸進行復測，結果如表2所示，可以看出滾輪尺寸精度符合要求。

2.4? ? 零件材質檢測

滾輪軸承要求外圈材質為GCr15軸承鋼，表面硬度達到HRC58～64。

對斷裂的軸承外圈進行材質成分檢測，結果符合《高碳鉻軸承鋼》（GB/T 18254—2016）[3]標準中對GCr15材質的要求。

依據《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件 熱處理技術條件》（JB/T 1255—2001）[4]對軸承外圈斷口處金相組織和硬度進行檢測：金相組織為2～3級，符合標準規定的1～4級的要求，如圖6所示;檢測硬度為HRC61.4，滿足標準規定的HRC60～65的要求。

2.5? ? 安裝狀態分析

觀察故障件，可以發現3個滾輪磨損痕跡的位置存在明顯不同，1#滾輪和2#滾輪的磨損痕跡靠近滾輪下部，3#滾輪的磨損痕跡靠近滾輪上部，如圖7所示。通過滾輪磨損痕跡分析，擺臂體安裝后與下導軌存在一定的傾斜夾角。

當擺臂體相對理論安裝位置產生傾斜時，滾輪與下導軌之間的間隙消失，且會存在安裝應力，滾輪所受的載荷也會從外圈的中間位置變為上、下邊緣位置，如圖8所示。

滾輪外圈的邊緣缺少支撐，屬于滾輪最薄弱的區域，如圖9所示，因此當受到非正常安裝帶來的偏載時，便會產生應力裂紋，最終導致滾輪失效。

3 改進措施

根據上述分析，若要避免滾輪因非正常的安裝狀態而導致提前失效，需要在擺臂組件安裝時增加擺臂體保持水平的調整要求。在實際安裝調整以及運用檢修過程中，可以通過觀察滾輪上的痕跡來判斷擺臂安裝位置是否合適，如圖10所示，擺臂組件上3個滾輪的痕跡應都保持在滾輪外圈中部位置。

4 結語

結合對故障件的檢測分析可知，本次故障是非正常的安裝狀態造成擺臂滾輪失效而導致的車門卡滯，即擺臂安裝后傾斜。根據故障成因提出安裝后檢查擺臂體水平的改進措施，并體現在安裝調試及維護檢修作業指導文件中，可有效提高塞拉門運用的可靠性。本文針對動車組塞拉門擺臂滾輪失效故障進行了原因分析，并提出了改進措施，對鐵路交通設備的運用檢修具有重要借鑒意義。

[參考文獻]

[1] 滾動軸承 損傷和失效 術語、特征及原因：GB/T 24611—2020[S].

[2] 劉建志，黃振，祁百龍.滾輪軸承的載荷參數及其計算方法[J].軸承，2017（6）：1-8.

[3] 高碳鉻軸承鋼：GB/T 18254—2016[S].

[4] 高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件 熱處理技術條件：JB/T 1255—2001[S].

收稿日期：2021-07-26

作者簡介：毛鵬（1994—），男，江蘇宿遷人，助理工程師，研究方向：機械設計。