一種軸承塑鋼保持架斷裂問題分析

王文華，高純友，劉飛

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2.長春市軌道交通集團(tuán)有限公司，長春 130000）

軸承塑鋼保持架因其耐磨損，沖擊韌性好，耐腐蝕等特點，逐步在軌道交通車輛上得以應(yīng)用，地鐵、有軌電車等城市軌道交通車輛已采用國產(chǎn)化帶有塑鋼保持架的軸承裝車[1]。

某70%低地板有軌電車動力轉(zhuǎn)向架采用了帶有塑鋼保持架的雙列圓柱滾子軸承，在年檢拆解過程中發(fā)現(xiàn)該保持架沿兜孔拐角處向外延伸斷裂，檢查油脂狀態(tài)正常。在正常維護(hù)保養(yǎng)情況下該故障批量出現(xiàn)，現(xiàn)對故障原因進(jìn)行分析，并提出解決方法。

1 故障描述

軸箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙列圓柱滾子軸承尺寸為φ100 mm×φ180 mm×60.3 mm，在車輛運(yùn)行過程中主要承受徑向和軸向載荷。

圖1 軸箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of axle box

軸承分解清洗后明顯可見保持架兜孔橫、縱梁拐角處出現(xiàn)向外延伸的斷裂區(qū)（圖2），除已發(fā)生碎裂的保持架無法觀察外，所有失效保持架斷裂狀態(tài)均與此相同。

圖2 保持架斷裂情況Fig.2 Fracture of cage

2 故障分析

2.1 材料成分分析

對斷裂保持架進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，保持架成分與 JB／T 7048—2011《滾動軸承 工程塑料保持架 技術(shù)條件》中尼龍66材料相符，滿足材料選型要求。

圖3 保持架能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of cage

2.2 斷口形貌

2.2.1 宏觀分析

保持架斷口宏觀形貌如圖4所示。由圖可知，斷口表面呈細(xì)小蜂窩狀，疑似在斷裂過程中玻璃纖維與基體分離時形成，并伴有局部擠壓和磨損。雖然保持架材料的致密度越低，力學(xué)性能越差[2]，但在其他車輛上使用致密度相近的產(chǎn)品時并沒有發(fā)生斷裂問題，所以致密度的影響可以排除。

圖4 保持架斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture of cage

2.2.2 微觀分析

對保持架斷口進(jìn)行掃描電鏡檢查，結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖可知：斷口及凹坑表面光滑，呈現(xiàn)明顯的熔融痕跡（圖5）；過梁上凹坑表面存在擠壓痕跡，在凹坑底部已形成裂紋（圖6），將造成二次剝落。由于掃描電鏡檢查本身也會造成尼龍局部熔融，同時，二次剝落與初始斷裂受力狀態(tài)有關(guān)，所以從微觀斷口形貌來看，保持架制造質(zhì)量不存在明顯缺陷[3]。

圖5 斷口表面凹坑形貌Fig.5 Morphology of pit on surface of fracture

圖6 過梁內(nèi)凹坑形貌Fig.6 Morphology of pit in beam

2.3 力學(xué)性能

按照J(rèn)B／T 7048—2011要求（吸濕干燥后保持架徑向拉伸強(qiáng)度不小于52 MPa），使用萬能液壓試驗機(jī)分別對同材質(zhì)的3件新制保持架（新）、已發(fā)生斷裂（舊）的保持架進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見表1。由表可知，新制保持架拉伸強(qiáng)度符合JB／T 7048—2011要求，舊保持架拉伸強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 新、舊保持架拉伸強(qiáng)度Tab.1 Tensile strengths for old and new cages MPa

2.4 結(jié)構(gòu)

由于斷裂均發(fā)生在橫、縱梁過渡拐角處且向外延伸，所以對該區(qū)域進(jìn)行局部放大，發(fā)現(xiàn)斷裂保持架在兜孔橫、縱梁根部為直角過渡（圖7）。

圖7 保持架橫、縱梁根部過渡結(jié)構(gòu)Fig.7 Transition structure at root of horizontal and longitudinal beams of cage

直角過渡形式會在根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，過渡圓角半徑和橫梁厚度之比（R／T）與應(yīng)力集中系數(shù)[4]的關(guān)系如圖8所示。由圖可知，應(yīng)力集中系數(shù)與該比值成反比，比值越趨近于0，應(yīng)力集中系數(shù)越高，在循環(huán)載荷的作用下保持架更容易發(fā)生疲勞斷裂。

圖8 應(yīng)力集中系數(shù)變化規(guī)律Fig.8 Variation rule of stress concentration factors

2.5 滾子及保持架尺寸

2.5.1 滾子尺寸

分別對5個保持架斷裂兜孔處的滾子尺寸進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。由表可知，斷裂兜孔處的滾子尺寸符合設(shè)計要求。

表2 故障保持架滾子尺寸Tab.2 Roller size of fault cage mm

2.5.2 保持架尺寸

為了確認(rèn)斷裂保持架是否存在尺寸異常而導(dǎo)致與滾子異常接觸，分別選取6件新、舊保持架，對其內(nèi)、外徑進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。由表可知，新、舊保持架與設(shè)計尺寸相比差異均不大，有個別超差情況，但偏差較小，是保持架去除注塑殘余應(yīng)力后的正常變化，對保持架不會造成本質(zhì)影響。

表3 保持架內(nèi)、外徑尺寸Tab.3 Inner and outer diameters of cages mm

基于檢測結(jié)果，可排除保持架因異常變形或長期運(yùn)行導(dǎo)致斷裂的可能。

2.6 保持架強(qiáng)度

采用ANSYS軟件對保持架進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖9所示。由圖可知，保持架單個兜孔在0.443 kN的周向載荷下才會產(chǎn)生破壞（圖9a），單個滾子與保持架產(chǎn)生超過0.67 kN的軸向載荷時，保持架會產(chǎn)生早期裂紋（圖9b）。

圖9 保持架兜孔應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of cage pocket

2.7 注塑孔對保持架強(qiáng)度的影響

注塑時基體材料在模具中產(chǎn)生的熔接點較少，但遠(yuǎn)端若溫度降低，易產(chǎn)生熔接缺陷，影響保持架整體強(qiáng)度[5]。而該保持架注塑孔分布于每個橫梁內(nèi)徑表面（圖10），因注塑流程較短，未及溫度降低已充分熔接，有效避免了熔接缺陷的產(chǎn)生。此外，通過對多套開裂保持架外觀檢驗，裂紋均發(fā)生于橫梁根部，未發(fā)現(xiàn)熔接點處出現(xiàn)開裂的痕跡，故保持架開裂與注塑孔數(shù)量無直接關(guān)系。

圖10 保持架注塑孔位置及分布Fig.11 Position and distribution of injection holes of cage

2.8 潤滑脂狀態(tài)

軸箱軸承的運(yùn)營維護(hù)周期為一年，拆解軸承后發(fā)現(xiàn)油脂顏色呈棕黑色，油脂量足夠，黏度適中，沒有干燥跡象（圖11），可以排除潤滑脂的影響。

圖11 軸承潤滑脂狀態(tài)Fig.11 Grease state for bearing

2.9 小結(jié)

根據(jù)上述分析，可判斷該保持架斷裂的主要原因為橫、縱梁根部直角過渡導(dǎo)致應(yīng)力集中過大，其在疲勞循環(huán)載荷下產(chǎn)生斷裂；同時，材質(zhì)內(nèi)部致密程度不佳，雖能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但有待進(jìn)一步提高。

3 改進(jìn)方案

對塑鋼保持架局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將橫、縱梁由直角過渡改為0.5 mm圓弧過渡（圖12）；同時改善材質(zhì)內(nèi)部致密度。抽取5件改進(jìn)后的保持架進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果見表4。由表可知，吸濕干燥后保持架的拉伸強(qiáng)度均明顯提高，將改進(jìn)后的保持架裝車試驗，至今未發(fā)現(xiàn)有斷裂現(xiàn)象。

圖12 保持架橫、縱梁圓角過渡結(jié)構(gòu)Fig.12 Transition structure of fillet at horizontal and longitudinal beams of cage

表4 改進(jìn)后保持架的拉伸強(qiáng)度Tab.4 Tensile strengths of improved cage MPa

4 結(jié)束語

對某70%低地板車輛轉(zhuǎn)向架軸箱軸承用塑鋼保持架斷裂問題進(jìn)行了研究，通過分析可知保持架斷裂是由兜孔橫、縱梁拐角處結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中所致的。改進(jìn)保持架局部結(jié)構(gòu)后應(yīng)力集中狀態(tài)得以緩解，同時，改善材料致密度有助于提高保持架強(qiáng)度。經(jīng)力學(xué)性能檢測證明，保持架拉伸強(qiáng)度明顯提高，避免了斷裂發(fā)生。