高鐵用軸箱軸承輕接觸式密封壓裝工藝

方芳，高武正，曾獻(xiàn)智，劉旗，李威

(1.中浙高鐵軸承有限公司，浙江 衢州 324400；2.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039)

目前，我國高鐵、城市軌道交通建設(shè)發(fā)展較快，已成為全球最大的軌道交通市場(chǎng)，但我國軌道車輛軸承的技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平還有一定的差距[1]，尤其是高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承目前全部依靠進(jìn)口。因此，掌握高鐵軸箱軸承加工技術(shù)，加速國產(chǎn)化已迫在眉睫。

1 密封結(jié)構(gòu)及失效形式

軸箱軸承密封是保障高鐵安全運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其作用是防止?jié)櫥瑒┩鉂B，并防止因灰塵及水等異物的侵入而導(dǎo)致潤(rùn)滑作用喪失。一種高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承輕接觸式迷宮密封如圖1所示，其密封性能良好,摩擦力矩低，能保證高鐵軸箱軸承的使用壽命。但在軸箱軸承生產(chǎn)加工過程中，密封的壓裝工藝得不到足夠重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸箱軸承密封罩脫出是鐵路車輛運(yùn)行過程易發(fā)生的故障之一[2-4]，會(huì)給鐵路安全造成嚴(yán)重的后果，因此，必須重視軸箱軸承密封的壓裝。

圖1 高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承輕接觸式迷宮密封

這種輕接觸式迷宮密封在運(yùn)行過程中最常見的失效形式有：1)密封罩松動(dòng)，甚至脫落；2)迷宮密封間隙過大導(dǎo)致潤(rùn)滑脂泄漏或外部水、塵土進(jìn)入；3)迷宮密封接觸過盈量較大引起過熱。

2 密封失效原因分析

該密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成密封失效的因素主要有：密封罩及與其對(duì)應(yīng)的外圈牙口、后擋圈的制造精度,密封的壓裝方式等。

2.1 橡膠密封唇、密封罩和外圈牙口制造精度

橡膠密封唇制造精度若達(dá)不到設(shè)計(jì)圖紙的要求，將會(huì)導(dǎo)致以下結(jié)果：1)密封的輕接觸區(qū)域(圖2)過盈變大，從而加劇軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封橡膠磨損及過熱；2)密封輕接觸區(qū)域無過盈量，造成軸承潤(rùn)滑脂泄漏或外部的水、塵土等介質(zhì)進(jìn)入。

圖2 密封的輕接觸區(qū)

密封罩與外圈牙口采用過盈配合，過盈量過小，會(huì)導(dǎo)致密封罩在受到高頻振動(dòng)時(shí)脫出；過盈量過大，會(huì)導(dǎo)致密封罩在壓裝時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，造成密封接觸過盈增大。每種軸箱軸承密封都有一個(gè)最佳過盈量。密封罩與外圈牙口尺寸及形狀不符合要求，會(huì)導(dǎo)致密封罩與外圈牙口配合過盈量超差。

2.2 密封罩骨架凸臺(tái)與外圈牙口槽的配合

為進(jìn)一步防止密封在運(yùn)行中受到高頻振動(dòng)而松動(dòng)脫出，在密封罩外徑面設(shè)置1個(gè)防止脫落的凸臺(tái)(圖1)，凸臺(tái)在完成密封壓裝時(shí)正好落入外圈牙口溝槽，形成自鎖功能。如果凸臺(tái)與牙口槽配合不到位，或凸臺(tái)在壓裝過程中被剪切掉，均會(huì)導(dǎo)致密封罩在使用過程中脫出。另外，如果密封罩過壓，會(huì)造成凸臺(tái)端面與牙口溝槽底部干涉，可能造成密封罩變形，也會(huì)發(fā)生脫出。

2.3 外圈牙口與密封罩凸臺(tái)的倒角尖棱

圖3中的4個(gè)圓圈指示出外圈牙口和密封罩凸臺(tái)倒角，如果過于尖銳，將導(dǎo)致密封凸臺(tái)在壓裝過程被剪切掉，最終導(dǎo)致密封罩在運(yùn)行中脫出。

圖3 外圈牙口與密封罩凸臺(tái)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)

2.4 壓裝時(shí)外圈牙口殘留潤(rùn)滑脂

密封罩壓裝前需要在軸承中間和兩端注入一定量的潤(rùn)滑脂。當(dāng)密封壓裝時(shí)，如果外圈牙口殘留潤(rùn)滑脂，將會(huì)減小密封罩與外圈的摩擦力，導(dǎo)致密封罩在運(yùn)行過程中脫出。

2.5 密封罩壓裝速度

當(dāng)密封壓裝速度超過某個(gè)極限時(shí)，會(huì)造成密封罩凸臺(tái)在壓裝過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于材料自身的剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致密封凸臺(tái)被剪切掉，進(jìn)而發(fā)生密封罩脫出。

2.6 壓裝模具

壓裝過程中壓裝模具具有密封件壓入時(shí)的導(dǎo)向作用以及壓裝密封罩深度的定位作用。導(dǎo)向不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致密封壓入時(shí)偏載，甚至導(dǎo)致壓裝不到位，定位失效會(huì)導(dǎo)致密封罩端面與溝槽接觸，均會(huì)造成密封罩變形。

2.7 密封后擋圈裝配

迷宮密封主要由密封后擋圈與橡膠密封唇組成，如果密封后擋圈裝入時(shí)偏心過大，會(huì)造成橡膠密封唇部分折疊，導(dǎo)致密封在使用過程中發(fā)熱而失效。

3 解決措施

根據(jù)密封失效原因分析可知，密封罩本身的制造精度會(huì)產(chǎn)生一定影響，但更重要的是對(duì)壓裝工藝過程的精細(xì)化控制。

3.1 控制密封罩和外圈牙口制造精度

密封壓裝前，需嚴(yán)格檢查密封罩的加工精度和外圈牙口的加工精度。

1)嚴(yán)格控制密封罩外徑尺寸偏差。密封罩尺寸決定了密封與外圈牙口的最佳過盈量，密封接口尺寸偏差決定了密封罩與牙口的最小過盈量和最大過盈量。經(jīng)研究,密封罩尺寸偏差最好控制在0.1 mm以內(nèi)，連同控制外圈牙口直徑尺寸偏差,可將密封與外圈的過盈量控制在0.15 mm以內(nèi)，從而保證整批密封罩在壓裝中不會(huì)產(chǎn)生塑性變形且壓裝后具有足夠的過盈量，以保證密封罩在實(shí)際使用中的高可靠性。密封罩在沖壓后采用特殊的薄膜夾具，通過精車加工即可達(dá)到要求。

2)嚴(yán)格控制密封罩凸臺(tái)高度和寬度的基本尺寸及尺寸偏差。凸臺(tái)高度影響壓裝后密封罩的自鎖性能，太高會(huì)導(dǎo)致壓裝時(shí)被剪切掉，因此凸臺(tái)高度的基本尺寸與尺寸偏差決定批量的穩(wěn)定性；凸臺(tái)的寬度影響自鎖性能，太寬會(huì)導(dǎo)致壓裝后與牙口溝槽底部干涉，造成密封罩變形，影響批量的穩(wěn)定性。

3)嚴(yán)格控制外圈牙口的尺寸和尺寸偏差。對(duì)高鐵軸箱軸承，一般可通過磨削的方法控制牙口直徑及偏差，尺寸偏差一般可以控制在0.04 mm以內(nèi)。

4)嚴(yán)格控制外圈牙口溝槽的深度和寬度。牙口溝槽深度和寬度決定了密封罩的自鎖性能及是否與密封罩干涉。通過磨削過程中附加硬車牙口槽工序，即可保證尺寸和精度的一致性。

5)圖3中的4處倒角需在精車過程進(jìn)行倒鈍，如果在磨削后發(fā)現(xiàn)尖棱,需進(jìn)行砂紙打磨處理。

3.2 壓裝過程工藝控制

在密封壓裝時(shí)，需對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行工藝控制：

1)嚴(yán)格控制壓裝速度。工藝研究表明，壓裝速度越大，凸臺(tái)被壓入時(shí)所受的應(yīng)力越大，超過凸臺(tái)所承受的極限時(shí)，凸臺(tái)會(huì)被剪切掉。所以需對(duì)不同型號(hào)的軸承進(jìn)行工藝試驗(yàn)，固化壓裝速度并嚴(yán)格執(zhí)行。

2)嚴(yán)格控制壓裝力。壓裝力過大會(huì)造成密封罩在壓裝過程產(chǎn)生塑性變形，甚至外圈變形。

3)嚴(yán)格控制壓裝模具的加工精度。壓裝模具引導(dǎo)密封罩的壓裝，防止密封罩受到偏載影響?？刂泼芊庹值膲貉b深度，防止密封罩與牙口溝槽底部干涉。高鐵密封壓裝示意圖如圖4所示，圖中模具φA尺寸可以與外圈外徑配合，引導(dǎo)密封件按規(guī)定路徑壓裝；模具頂部球面可防止密封罩受壓偏載；模具凹槽深度(ΔB)可控制密封壓裝深度，防止密封罩變形。

圖4 壓裝示意圖

4)壓裝時(shí)需確認(rèn)外圈牙口未殘留潤(rùn)滑脂。

5)通過壓力機(jī)的壓力傳感器檢測(cè)密封罩骨架凸臺(tái)是否被剪切掉。如凸臺(tái)被剪切掉，壓力機(jī)的壓力曲線會(huì)發(fā)生突變，因此可以通過壓力曲線判斷密封壓裝是否正常。

3.3 壓裝后檢查

密封壓裝完成后，需對(duì)密封罩進(jìn)行檢查，確保每套高鐵軸承的密封性能：

1)目測(cè)壓裝后的密封罩是否有毛刺或變形。

2)檢查密封罩的壓裝深度，即密封罩端面與外圈端面的距離，可通過深度樣板檢測(cè)圓周3～4處，確認(rèn)密封是否壓裝到位以及是否變形。

3)采用專用的扭矩測(cè)試技術(shù)檢查壓裝后密封罩與外圈的結(jié)合強(qiáng)度，如《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》規(guī)定鐵路貨車軸承密封罩壓裝后須進(jìn)行不小于122.5 N·m的扭力矩測(cè)試[5]，高鐵軸承可根據(jù)路況進(jìn)一步提高扭力矩的要求。

4)對(duì)于圖1中的輕接觸式密封，后擋圈安裝完成后一定要檢查其旋轉(zhuǎn)靈活性，防止安裝時(shí)橡膠密封唇口折疊。檢查后采用軟質(zhì)帶或者防護(hù)罩固定，防止后擋圈脫落導(dǎo)致二次折疊橡膠密封唇口。

4 結(jié)束語

高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承密封性能的可靠性對(duì)高鐵安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。需要嚴(yán)格控制密封罩、外圈牙口等制造精度以及密封罩的壓裝過程，才能保證高鐵軸箱軸承的密封性能，從而保障高鐵車輛的安全運(yùn)行。