搗固裝置叉形內(nèi)油缸軸承異響原因分析與改進(jìn)

于曉偉 劉勇濤

摘要：本文針對搗固裝置在臺(tái)架試驗(yàn)中叉形內(nèi)油缸軸承發(fā)生異響問題，結(jié)合軸承失效的形式，分析了軸承的組裝工藝流程，進(jìn)而找出軸承失效的原因。采取有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，改進(jìn)軸承熱裝配的工藝，既滿足了軸承座圈與振動(dòng)軸精密裝配的要求，又保證了軸承的安裝質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：搗固裝置;軸承異響;熱裝配;有限元分析

中圖分類號(hào)：U418.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0124-03

0? 引言

搗固裝置是大型養(yǎng)路機(jī)械搗固車的核心部件[1-3]，用于搗固鋼軌兩側(cè)的枕底道碴，并與起撥道裝置相配合，消除軌道的高低不平，提高軌道的穩(wěn)定性。搗固裝置的軸承可以定位振動(dòng)軸并傳遞搗固時(shí)振動(dòng)夾持產(chǎn)生的載荷，對振動(dòng)軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。搗固裝置軸承的損壞失效會(huì)帶來搗固裝置異響、搗固裝置振動(dòng)異常等現(xiàn)象、甚至引起振動(dòng)軸的燒死，從而影響搗固裝置的正常作業(yè)。

在每一臺(tái)搗固裝置組裝作業(yè)完成后，都需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)搗固裝置叉形內(nèi)油缸處圓柱滾子軸承發(fā)生異響，對叉形內(nèi)油缸處圓柱滾子軸承進(jìn)行拆解并更換新的軸承后異響消失。為了防止搗固裝置叉形內(nèi)油缸軸承異響的反復(fù)發(fā)生，影響搗固裝置的正常使用，減少質(zhì)量損失，對搗固裝置叉形內(nèi)油缸軸承產(chǎn)生異響的原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1? 軸承失效形式分析

為了分析叉形內(nèi)油缸圓柱滾子軸承發(fā)生異響的原因，首先對發(fā)生異響的軸承進(jìn)行拆解取樣，對軸承的失效形式進(jìn)行分析。對于失效的軸承，需要從宏觀形貌、微觀形貌、金相組織三方面，進(jìn)行全面的檢查分析。

從宏觀形貌上檢查損傷軸承的內(nèi)圈，發(fā)現(xiàn)在軸承內(nèi)圈的外側(cè)滾道上出現(xiàn)沿著軸向的較深的刻痕，范圍較為集中，多表現(xiàn)為線狀，并且線狀刻痕在軸承內(nèi)圈的分步情況與軸承滾柱位置相對應(yīng)，如圖1所示。對失效的軸承內(nèi)圈進(jìn)行微觀形貌的觀察，失效的軸承內(nèi)圈的表面呈現(xiàn)高低起伏狀，如圖2所示。而軸承內(nèi)圈損傷處的金相組織為高溫相變形成的淬火馬氏體，如圖3中所示的白亮層。通過上述檢查結(jié)果可知，軸承內(nèi)圈的損傷形式呈現(xiàn)出典型的拉傷特征。

2? 軸承失效原因分析

軸承內(nèi)圈的失效形式為拉傷產(chǎn)生的線狀刻痕，當(dāng)軸承滾子在軸承內(nèi)圈上滾動(dòng)時(shí)，通過刻痕處會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與沖擊，軸承受到振動(dòng)與沖擊后，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成軸承內(nèi)圈局部過早剝落，使得軸承產(chǎn)生異響和噪音。

軸承經(jīng)過安裝、臺(tái)架試驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)后發(fā)生異響。軸承在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，軸承滾子在軸承內(nèi)圈上滾動(dòng)，軸承內(nèi)圈承受徑向沖擊載荷，并不會(huì)使得軸承內(nèi)圈出現(xiàn)拉傷情況。分析軸承的安裝過程，可以發(fā)現(xiàn)，搗固裝置的軸承座圈與振動(dòng)軸的配合為過盈配合，軸承內(nèi)圈與軸承座圈之間的配合也為過盈配合，兩者的配合均不允許在組裝過程中出現(xiàn)零件拉傷、拉毛的現(xiàn)象，因此采用油浴加熱的方法，進(jìn)行熱裝配。具體的步驟為，將軸承內(nèi)圈放入油浴中加熱保溫一段時(shí)間后，將膨脹后的軸承內(nèi)圈迅速裝入到軸承座圈中，冷卻后使其軸向靠死。將裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈進(jìn)行油浴加熱并保溫一段時(shí)間后，將軸承座圈裝在振動(dòng)軸上，如圖4所示。

通過油浴加熱后的軸承座圈內(nèi)徑膨脹以方便精密地裝入振動(dòng)軸上，同時(shí)軸承內(nèi)圈也一同被加熱膨脹，這就使得原本軸承內(nèi)圈與軸承滾子之間的游隙被侵占，一旦油浴加熱溫度控制不當(dāng)，甚至?xí)沟幂S承內(nèi)圈與軸承滾子之間出現(xiàn)干涉配合狀態(tài)。組裝過程中，當(dāng)軸承內(nèi)圈與軸承滾子之間出現(xiàn)干涉配合狀態(tài)時(shí)，軸承滾子與軸承內(nèi)圈之間相互擠壓，使軸承內(nèi)圈出現(xiàn)拉傷，并且出現(xiàn)線狀刻痕在軸承內(nèi)圈的分步情況與軸承滾柱位置相對應(yīng)的情況。

通常在軸承在安裝、使用、維護(hù)等過程中，不合理的操作都會(huì)帶來軸承的損傷，其中安裝使用不當(dāng)造成的軸承失效占到軸承失效的70%以上。搗固裝置叉形內(nèi)油缸圓柱滾子軸承發(fā)生異響的根本原因?yàn)檩S承在組裝時(shí)油浴加熱溫度過高，使得軸承內(nèi)圈膨脹量過大，組裝時(shí)與滾子相互擠壓，使得軸承發(fā)生原始安裝損傷。

3? 軸承內(nèi)圈熱裝工藝改進(jìn)

3.1 有限元仿真分析

為了避免軸承內(nèi)圈在組裝過程中出現(xiàn)損傷，重點(diǎn)在于控制裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈的油浴加熱溫度，使得經(jīng)過油浴加熱的軸承座圈的內(nèi)徑膨脹，組裝時(shí)與振動(dòng)軸之間為間隙狀態(tài)，方便軸承座圈的精密安裝，同時(shí)也使得軸承內(nèi)圈與軸承滾子之間保持間隙狀態(tài)，防止軸承內(nèi)圈膨脹量過大，組裝過程中造成軸承內(nèi)圈的損傷。

為了分析由于加熱溫度的變化對軸承座圈與振動(dòng)軸之間的過盈量、軸承內(nèi)圈與軸承滾子之間的間隙量產(chǎn)生的影響，需在組裝之間測量原始過盈量與間隙量，在此基礎(chǔ)上，尋求合適的油浴組裝溫度，保證組裝質(zhì)量。從軸承座圈的圖紙與振動(dòng)軸的設(shè)計(jì)圖紙中可以知道，軸承座圈的內(nèi)徑為，振動(dòng)軸相應(yīng)檔的尺寸為，測量實(shí)際加工完成的軸承座圈與振動(dòng)軸的尺寸，兩者的平均過盈量ΔA為0.02mm。軸承的平均徑向游隙ΔB的測量方法為，將軸承外圈裝入叉形內(nèi)油缸中，軸承內(nèi)圈裝在軸承座圈上，通過百分表測量軸承內(nèi)圈在軸承徑向上的游隙，經(jīng)過測量軸承的平均游隙為0.06mm。因此，以油浴加熱后軸承座圈的內(nèi)徑膨脹量大于等于0.02mm，軸承內(nèi)圈的外徑膨脹量小于等于0.06mm作為目標(biāo)值，進(jìn)行有限元仿真分析。

采用有限元仿真軟件[4-5]，建立軸承座圈與軸承內(nèi)圈的軸對稱有限元模型，定義軸承座圈與軸承內(nèi)圈的材料屬性，如表1。將軸承座圈與軸承內(nèi)圈建立綁定約束條件，使得軸承座圈與軸承內(nèi)圈的兩個(gè)面牢固地粘接在一起，分析過程中不再分開。軸承座圈與軸承內(nèi)圈采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元格網(wǎng)格尺寸為3mm，軸承座圈與軸承內(nèi)圈分別劃分為3552與1232個(gè)單元類型為C3D8R的六面體網(wǎng)格單元。設(shè)定模型在室溫下的初始溫度場為20℃，40在通用靜力分析步1中改變預(yù)定義溫度場，變化范圍為60～120℃，模擬在不同油浴加熱溫度下軸承座圈與軸承內(nèi)圈的熱膨脹情況。

在經(jīng)過油浴加熱后，裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈的變形云圖，如圖5所示。從變形云圖中提取軸承座圈的最小膨脹量數(shù)值與軸承內(nèi)圈最大膨脹量數(shù)值，兩者與油浴加熱溫度的關(guān)系如圖6所示。從圖中可知，軸承座圈的內(nèi)徑膨脹量與軸承外圈的外徑膨脹量均隨著油浴加熱溫度的上升而上升。當(dāng)油浴加熱溫度小于70℃時(shí)，軸承座圈的膨脹量小于ΔA，不便于軸承座圈的精密安裝;油浴溫度在70～90℃之間，軸承座圈的膨脹量大于ΔA，并且軸承內(nèi)圈與滾子之間的間隙大于0，既能保證軸承座圈的精密安裝也不會(huì)引起軸承內(nèi)圈在組裝過程中擠壓損傷;油浴溫度在90～120℃之間時(shí)，軸承內(nèi)圈的膨脹量大于ΔB，在組裝時(shí)，容易引起軸承的擠壓損傷。綜合考慮到恒溫油槽的使用情況，與現(xiàn)場的實(shí)際組裝情況，需要保證軸承座圈與振動(dòng)軸之間的間隙盡量大，避免因從油浴中取出后溫度下降造成軸承座圈難以安裝，因此裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈油浴加熱溫度控制在80-90℃之間，即85±5℃較佳，既能滿足軸承座圈的精密安裝要求，又不會(huì)對軸承造成損傷。

3.2 工藝驗(yàn)證

3.2.1 油浴加熱試驗(yàn)

在本次試驗(yàn)驗(yàn)證中，采用恒溫油浴加熱設(shè)備為SC-15A，該恒溫油槽具有恒溫范圍廣泛，溫度控制精準(zhǔn)的特點(diǎn)，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

本次試驗(yàn)采用多次測量取平均值的方法，選取4組裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈進(jìn)行不同油浴溫度下的熱變形測量，將4組變形數(shù)據(jù)取平均值，得到本次試驗(yàn)的熱變形數(shù)據(jù)。首先在室溫下，測量4組組件中的軸承座圈內(nèi)徑與軸承內(nèi)圈外徑的尺寸，然后分別將這四組組件，放入設(shè)定溫度為60℃、80℃、100℃、120℃的油浴中，保溫5分鐘后再迅速測量4組組件中軸承座圈內(nèi)徑變形量與軸承內(nèi)圈外徑變形量。

通過試驗(yàn)可以看出，隨著油浴加熱溫度的升高，軸承座圈與軸承內(nèi)圈的變形量均逐漸上升，將試驗(yàn)測量的軸承座圈與軸承內(nèi)圈的變形量與有限元仿真的變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖7所示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果略有差異，誤差在0.005mm以內(nèi)。因此軸承座圈與軸承內(nèi)圈變形量測量值與仿真值基本吻合，證明了仿真的有效性。

3.2.2 組裝試驗(yàn)

將恒溫油槽油浴加熱溫度設(shè)定在85±5℃范圍之內(nèi)，將裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈在油浴中充分加熱，并保溫5分鐘，使得零件受熱均勻。將裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈從油浴中取出并迅速裝入振動(dòng)軸上，待軸承座圈冷卻后，使用銅棒敲打軸承座圈，使其向軸向靠死。待搗固裝置組裝完成后進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證工藝改進(jìn)對搗固裝置運(yùn)行的影響。經(jīng)過從低速到高速的臺(tái)架運(yùn)行試驗(yàn)，叉形內(nèi)油缸軸承未出現(xiàn)異響現(xiàn)象，并且測量叉形內(nèi)油缸軸承處溫度，軸承溫度<115℃，滿足使用要求。

4? 總結(jié)

針對搗固裝置叉形內(nèi)油缸軸承在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)發(fā)生異響的問題，進(jìn)行了搗固裝置叉形內(nèi)油缸軸承異響原因分析，采用有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，并最終提出合理的解決途徑，結(jié)論總結(jié)如下：

①搗固裝置軸承內(nèi)圈組裝過程中，過高的油浴加熱溫度會(huì)使得軸承內(nèi)圈徑向膨脹量過大，使得軸承內(nèi)圈與軸承滾子出現(xiàn)干涉配合狀態(tài)，在組裝過程中容易產(chǎn)生軸承損傷。

②搗固裝置軸承擠壓損傷形式表現(xiàn)為軸承內(nèi)圈出現(xiàn)軸向線狀刻痕，損傷處微觀形貌呈現(xiàn)高低起伏狀，軸承內(nèi)圈損傷處的金相組織為高溫相變形成的淬火馬氏體。

③經(jīng)過有限元仿真分析結(jié)合組裝試驗(yàn)驗(yàn)證，裝有軸承內(nèi)圈的軸承座圈采用85±5℃范圍的油浴加熱工藝，既可以實(shí)現(xiàn)軸承座圈與振動(dòng)軸的精密裝配，也能夠保證軸承在組裝過程中不會(huì)出現(xiàn)擠壓損傷的狀態(tài)。

④將有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了有限元仿真數(shù)據(jù)的正確性，有限元仿真方法可以在零件過盈裝配分析中提供便捷的分析途徑，保證裝配質(zhì)量。

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