軸箱軸承壓裝曲線異常故障分析及處置

孫小康 朱子立

(南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210012)

地鐵列車軸箱軸承作為轉(zhuǎn)向架的重要部件，其裝配狀態(tài)直接影響行車安全。近期在某地鐵城際線路車輛架修過(guò)程中多次出現(xiàn)了軸箱軸承壓裝后軸承內(nèi)圈及軸頸拉傷的現(xiàn)象，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。本文針對(duì)該故障現(xiàn)象，從故障原因、工藝改進(jìn)及處置效果等幾個(gè)方面進(jìn)行探討，為行業(yè)內(nèi)類似故障的處理提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

1 問(wèn)題描述

地鐵列車軸箱軸承與車軸采用過(guò)盈配合冷壓方式組裝，根據(jù)軸承供應(yīng)商提供的壓裝指導(dǎo)文件以及《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2016]191號(hào))，其壓裝結(jié)論常以貼合時(shí)終止壓力、保壓時(shí)間和軸承游隙作為判定依據(jù)。實(shí)際壓裝過(guò)程中，由于部件尺寸檢測(cè)位置已選定，以及人工測(cè)得尺寸無(wú)法覆蓋全部過(guò)盈配合表面影響，因此可能存在不滿足過(guò)盈配合尺寸要求的部位未被識(shí)別、軸承軸頸表面狀態(tài)異常等導(dǎo)致利用“貼合時(shí)終止壓力”判定軸承壓裝效果存在局限性[1]。

近年來(lái)，軸承壓裝時(shí)可通過(guò)壓裝曲線來(lái)進(jìn)一步判斷壓裝質(zhì)量是否合格。軸承壓裝曲線反映為位移—壓力、時(shí)間—壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要由壓裝起始階段、壓裝階段和保壓階段的曲線組成[2]。合格壓裝曲線一般具有以下特征：

(1)位移與壓力基本保持線性上升關(guān)系；

(2)壓力曲線平滑上升，無(wú)劇烈波動(dòng)、陡升等異?，F(xiàn)象；

(3)貼合壓力在(320±20)kN范圍內(nèi)，保壓時(shí)間t0為(6±1)s。

在軸承壓裝作業(yè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)多次出現(xiàn)軸承壓裝曲線異常的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：軸承壓裝過(guò)程曲線順暢，最終貼合壓力正常，但壓裝力偏大。以及壓裝曲線存在波動(dòng)現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。

對(duì)上述軸承進(jìn)行退卸檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈和軸頸表面均存在拉傷，部分拉傷嚴(yán)重的車軸達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)軸承及軸頸損傷情況分析發(fā)現(xiàn)，拉傷現(xiàn)象主要為以淺長(zhǎng)磨痕的形式均勻分布在車軸軸頸及軸承內(nèi)圈的整個(gè)圓周方向，傷痕深度約0.1 mm～1 mm。具體故障現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 軸承內(nèi)圈及軸徑異常拉傷

2 故障原因分析及驗(yàn)證

由于滾動(dòng)軸承壓裝曲線的合格判定規(guī)則并不明確，為進(jìn)一步分析故障原因，經(jīng)過(guò)對(duì)軸承壓裝過(guò)程中的壓裝力計(jì)算公式(1)進(jìn)行分析[3]，認(rèn)為導(dǎo)致滾動(dòng)軸承壓裝力曲線異常的主要因素有以下幾個(gè)方面：(1)滾動(dòng)軸承壓裝間溫/濕度；(2)滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸頸的過(guò)盈量；(3)軸頸表面的粗糙度、圓柱度及軸頸端部墩粗；(4)滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸頸間的潤(rùn)滑效果；(5)滾動(dòng)軸承壓裝時(shí)，壓裝機(jī)活塞中心線與車軸中心線不一致等[3]。

壓裝力p壓與位移的關(guān)系為：

(1)

式中：E為材料的彈性模量；b為軸承外圈平均直徑；a為軸頸與軸承內(nèi)圈結(jié)合面半徑；δ為壓裝過(guò)盈量；μ為摩擦因數(shù)；x為位移。

對(duì)上述因素逐個(gè)排查后發(fā)現(xiàn)， 軸承壓裝相關(guān)的環(huán)境因素及軸承、 軸頸表面狀態(tài)、 尺寸及過(guò)盈量等數(shù)據(jù)良好， 未發(fā)現(xiàn)異常。 在對(duì)軸頸表面粗糙度及壓裝軸承的潤(rùn)滑效果因素分析時(shí)發(fā)現(xiàn)， 車軸軸頸處機(jī)加工要求的粗糙度為Ra0.5 μm～Ra0.8 μm， 且表面存在明顯的機(jī)加工紋路和打磨痕跡。 而現(xiàn)場(chǎng)故障輪對(duì)軸頸狀態(tài)表現(xiàn)為表面平整光亮， 粗糙度Ra<0.3 μm。 該指標(biāo)與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在明顯出入。

根據(jù)以上特點(diǎn)，初步推斷軸頸表面在粗糙度較低、過(guò)于光滑的前提下，其潤(rùn)滑脂附著力變差，有效附著量減少，導(dǎo)致軸承壓裝過(guò)程中難以形成保護(hù)性油膜，潤(rùn)滑效果不足，從而引起拉傷的產(chǎn)生。另外，軸頸表面粗糙度在經(jīng)過(guò)打磨適當(dāng)提高后，其表面的結(jié)構(gòu)硬度也將有所降低，更有利于軸承的壓入。

基于上述分析結(jié)果，為進(jìn)一步驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)從軸頸表面粗糙度、潤(rùn)滑脂涂抹量2個(gè)方面進(jìn)行3組對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如下：

(1)軸頸粗糙度分別為左側(cè)Ra0.27 μm(不打磨)、右側(cè)Ra0.51 μm(打磨)，左右兩側(cè)潤(rùn)滑脂涂抹量均偏多。壓裝結(jié)果顯示為左側(cè)壓裝力60.2 kN ，右側(cè)壓裝力69.1 kN 。左側(cè)油缸壓裝過(guò)程中存在振動(dòng)，曲線存在抖動(dòng)，右側(cè)曲線平滑良好(見(jiàn)圖3)。

(2)軸頸粗糙度分別為左側(cè)Ra0.3 μm(不打磨)、右側(cè)Ra0.52 μm(打磨)，左右兩側(cè)潤(rùn)滑脂涂抹量均正常。壓裝結(jié)果顯示為左側(cè)壓裝力140.1 kN ，右側(cè)壓裝力70.3 kN 。左側(cè)油缸壓裝力明顯偏高，軸承退卸后軸頸有明顯拉傷。右側(cè)曲線良好，軸頸狀態(tài)良好(見(jiàn)圖4)。

圖3 軸承壓裝曲線(潤(rùn)滑脂涂抹量偏多)

圖4 軸承壓裝曲線(潤(rùn)滑脂涂抹量正常)

(3)軸頸粗糙度分別為左側(cè)Ra0.65 μm(打磨)、右側(cè)Ra0.58 μm(打磨)。左側(cè)潤(rùn)滑脂涂抹量偏少，右側(cè)潤(rùn)滑脂涂抹量偏多。壓裝結(jié)果顯示為左側(cè)壓裝力80.3 kN ，右側(cè)壓裝力62 kN 。兩側(cè)壓裝過(guò)程正常，右側(cè)曲線更為平緩，如圖5所示。

圖5 軸承壓裝曲線(不同潤(rùn)滑脂涂抹量)

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，軸頸在保持原有Ra0.3 μm左右粗糙度且未打磨的情況下，壓裝過(guò)程中容易出現(xiàn)振動(dòng)、壓裝力偏高甚至拉傷的現(xiàn)象，壓裝曲線表現(xiàn)異常，與實(shí)際生產(chǎn)中的故障現(xiàn)象較為一致。而經(jīng)過(guò)金相砂紙打磨、提升軸頸粗糙度后顯示，軸承壓裝力顯著降低，壓裝曲線平緩，振動(dòng)現(xiàn)象也有所減輕。另外驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，軸承潤(rùn)滑脂涂抹量的多少，也會(huì)對(duì)壓裝結(jié)果造成一定的影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)處置及結(jié)果跟蹤

在了解上述驗(yàn)證結(jié)論后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)作業(yè)工藝進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，主要包含以下幾個(gè)方面：(1)在輪對(duì)準(zhǔn)備階段使用不小于120目的金相砂紙蘸油在軸頸表面進(jìn)行斜向交叉打磨，將軸頸表面粗糙度控制在Ra0.5 μm～Ra0.8 μm，如圖6所示，打磨后再測(cè)量軸頸外徑，確保尺寸滿足要求；(2)適當(dāng)增加潤(rùn)滑脂的涂抹量，確保軸頸表面和倒角處完全覆蓋，對(duì)于過(guò)盈量較大的情況，在軸承內(nèi)圈及設(shè)備引導(dǎo)套上涂抹少量潤(rùn)滑脂；(3)加強(qiáng)對(duì)潤(rùn)滑脂的檢查和防護(hù)，避免有雜物混入；(4)壓裝前檢查車軸中心定位孔無(wú)損傷，確保壓裝機(jī)活塞中心線與軸頸中心線一致。

通過(guò)上述工藝方法的調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)約一列車輪對(duì)壓裝批量驗(yàn)證，所有壓裝過(guò)程未出現(xiàn)異常曲線，狀態(tài)良好。因此進(jìn)一步證明了工藝改進(jìn)的有效性。

圖6 不同粗糙度下軸頸狀態(tài)

本文針對(duì)軸承壓裝過(guò)程中出現(xiàn)的拉傷問(wèn)題，重點(diǎn)從軸頸表面粗糙度及潤(rùn)滑脂方面進(jìn)行分析，提出了具有針對(duì)性的改進(jìn)措施，有效降低了生產(chǎn)返工及備件報(bào)廢率。通過(guò)強(qiáng)化作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)軸承壓裝合格率從原來(lái)的約92%提升到了目前的100%，效果提升明顯。