牽引電動機用圓柱滾子軸承保持架鉚接改進

楊明奇，柴靈芝 ，奚強，高武正

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

機車牽引電動機是機車傳動系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，驅(qū)動端軸承是牽引電動機的重要部件，軸承故障將直接影響機車的行車安全。驅(qū)動端軸承通常選用圓柱滾子軸承，由于工作中受到軸向沖擊和振動等影響，其保持架通常選用實體保持架，其中鉚接式組合保持架因加工工藝的便捷性被廣泛應(yīng)用，但其鉚接質(zhì)量直接影響軸承的使用性能及壽命[1-2]。

機車牽引電動機日常運行和檢修過程中經(jīng)常出現(xiàn)軸承故障，通過對3種國產(chǎn)機車牽引電動機故障檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，軸承故障占電動機總故障的3.5%～7.5%[3]，而軸承故障中比較常見的缺陷是保持架鉚釘松動、鉚釘頭折斷及保持架脫開等。因此對牽引電動機用圓柱滾子軸承保持架的鉚接進行分析改進。

1 保持架傳統(tǒng)鉚接方式

圓柱滾子軸承鉚接式組合保持架的鉚接方法主要有冷沖壓鉚接和電加熱鉚接。

冷沖壓鉚接是在專用壓力機上通過使用模具使鉚釘沖壓變形進行鉚接，鉚接質(zhì)量受鉚釘頭端面平整度和鉚釘放置的影響。鉚釘通常為冷剪切剪斷，鉚釘頭端面難免出現(xiàn)不平整；鉚接時很難保證鉚釘?shù)慕^對垂直，鉚接過程中容易造成鉚釘頭歪斜、表面裂紋等缺陷。當鉚釘頭根部產(chǎn)生裂紋時，軸承運轉(zhuǎn)過程中受沖擊和振動等的影響，導(dǎo)致裂紋擴展，甚至?xí)疸T釘頭疲勞斷裂，從而導(dǎo)致鉚接失效，影響軸承的正常使用。鉚接時鉚接頭歪斜必然造成返修，耗費人力、物力，增加生產(chǎn)成本，也易對保持架造成損傷，且鉚接頭歪斜會導(dǎo)致拆釘時鉚釘孔兩端局部微小變形，再次裝釘鉚接時會產(chǎn)生微小間隙，該間隙在軸承運轉(zhuǎn)中受沖擊和振動等的影響將發(fā)生微動磨損，從而產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴重時會導(dǎo)致鉚釘頭斷裂或脫落[4-5]。

電加熱鉚接是利用電鉚機通電加熱鉚釘，鉚釘達到一定溫度后在電鉚機壓力作用下鉚接。電加熱鉚接主要受鉚接設(shè)備性能的穩(wěn)定性和鉚釘材料力學(xué)性能等因素的影響，鉚接過程電流波動會造成鉚接壓力不穩(wěn)定，鉚釘頭過燒或加熱不足易導(dǎo)致鉚接不到位、松動等問題。

文獻[6]對軸承保持架鉚釘失效原因進行了分析，結(jié)果表明：熱鉚接可以保證形成的鉚釘頭與保持架端面及鉚釘孔的緊密配合，但強度較低，在特定條件(如振動)下可能出現(xiàn)微動磨損，進而導(dǎo)致鉚釘疲勞斷裂。牽引電動機驅(qū)動端軸承為浮動端，工作中受到軸向沖擊和振動的影響，保持架會持續(xù)受到滾子的軸向沖擊力，因此，鉚釘容易出現(xiàn)疲勞斷裂。

文獻[7]對發(fā)動機軸承保持架鉚釘頭脫落原因進行了分析，結(jié)果表明：當鉚釘頭端面和保持架端面存在微小間隙時，鉚釘與保持架在高頻、小振幅振動環(huán)境中發(fā)生反復(fù)相對摩擦運動，隨著運動速度和方向的不斷改變，在鉚釘頭端面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，當其超過磨粒壓潰強度時，鉚釘頭摩擦表面產(chǎn)生塑性變形直至疲勞斷裂。

2 技術(shù)改進

2.1 鉚釘材料的改進

鉚釘材料由傳統(tǒng)的ML15或ML20改為40CrNiMo，依據(jù)YB/T 5144—2006 《軸承保持器用碳素結(jié)構(gòu)鋼絲》及GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》得到不同材料的力學(xué)性能見表1。

表1 不同材料的力學(xué)性能

由表1可知：40CrNiMo的力學(xué)性能明顯優(yōu)于材料ML15及ML20，在使用過程中當軸承受到?jīng)_擊或振動時，避免了由鉚釘材料性能導(dǎo)致的鉚釘在鉚釘孔內(nèi)彎曲變形而造成鉚釘松動或折斷等問題，使保持架的連接更牢固。

2.2 鉚接結(jié)構(gòu)的改進

為防止保持架在使用過程中松動，改善保持架工作狀態(tài)，對鉚接結(jié)構(gòu)進行改進，改進后鉚接結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉚釘穿過保持架座和保持架蓋與螺帽通過螺紋連接，使保持架座和保持架蓋緊固連接，然后采用電加熱鉚釘?shù)姆椒ㄊ广T釘產(chǎn)生熱變形而與螺帽形成固定連接，整個連接形成了自鎖結(jié)構(gòu)。鉚釘和螺帽結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。需要說明的是，文中軸承設(shè)計方案的鉚釘頭凸出軸承端面不影響軸承安裝使用，在具體的應(yīng)用場合應(yīng)考慮鉚釘頭突出軸承端面時是否有足夠的安裝空間。

圖3 螺帽結(jié)構(gòu)圖

由圖2、圖3可知：鉚釘頭的直徑小于鉚體的直徑，兩者連接處形成臺階結(jié)構(gòu)，而螺帽內(nèi)孔一端設(shè)有與上述臺階結(jié)構(gòu)適應(yīng)的倒角，以便鉚釘與螺帽連接時能使保持架座和保持架蓋緊固連接；而螺帽上的弧面凹槽(也可做成平面)為螺帽在鉚釘上的旋緊起到防滑作用。連接后通過電加熱方式鉚接，使鉚釘頭與螺帽形成自鎖結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

改進后的鉚釘結(jié)構(gòu)綜合了電加熱鉚接和沖壓鉚接的優(yōu)點，避免了熱鉚接時鉚接壓力小，易松動等問題，同時也消除了冷沖壓鉚接過程中由于沖壓力不均等導(dǎo)致的微動磨損帶來的鉚釘斷裂失效的隱患。改進后的結(jié)構(gòu)，在鉚接力較小的情況下，使保持架能夠穩(wěn)固連接，防止保持架在使用過程中松動，改善了保持架的工作狀態(tài)，提高了軸承的使用壽命。