動車組軸承壓裝曲線異常原因分析及改進措施

劉美鳳， 廖飛揚， 楊 波

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司， 江蘇 南京 210031）

0 引言

輪對軸承軸箱裝置是轉向架的核心組成部分，主要承受車體與軌道相互作用的全部載荷和沖擊，并且傳遞牽引力和制動力；在輪對軸承軸箱裝置中，滾動軸承又是關鍵部件，支撐著輪對高速旋轉，因此軸承壓裝質量直接影響轉向架的制造品質和行車安全。

文章主要通過理論的軸承壓裝力- 位移曲線圖，對某型動車組一些異常的軸承壓裝曲線進行原因分析，并提出改進優(yōu)化措施，來保證軸承壓裝曲線和壓裝質量符合要求。

1 軸承壓裝原理介紹

1.1 軸承壓裝過程力學分析

軸承與車軸為過盈聯(lián)接。軸承壓裝過程中，在過盈量、軸頸和車軸結合面的徑向壓力作用下產生彈性形變，使車軸直徑變小，軸承內徑變大。因此，如圖1所示，將車軸與軸承作為組合圓筒，進行彈性形變的幾何關系分析。

圖1 車軸與軸承的形變關系

由彈性力學理論，可以得出軸承壓裝力為：

式中：F為軸承的理論壓裝力，單位kN；p為結合面之間的徑向壓力，MPa；a為車軸的內半徑，mm；b為車軸的結合面直徑，mm；c為軸承內圈外半徑，mm；E1為車軸材質的彈性模量，kN/mm2；μ1為車軸材質的泊松比；E2為軸承材質的彈性模量，kN/mm2；μ2為軸承材質的泊松比；x為軸承壓長度，mm；f為滑動摩擦系數(shù)。

由式（1）可知，當車軸與軸承確定的情況下，理論的軸承壓裝力- 位移（F-x）曲線只與過盈量有關。

1.2 軸承壓裝曲線原理

如圖2 所示，軸承壓裝在專用的滾動軸承壓裝機上進行，完整的軸承壓裝曲線包括壓裝過程的壓裝力與位移的曲線和保壓時的壓裝力與時間的曲線兩部分組成。

圖2 軸承壓裝

壓裝力與位移的曲線，通過滾動軸承壓裝機的位移編碼器發(fā)射脈沖，每隔0.1 mm 發(fā)送一個位移信號，計算機根據位移脈沖信號采集壓裝力，再根據人眼所能識別到的分辨率在坐標系內描點，按照位移每隔0.2 mm 描一個點繪制而成；壓裝力與時間的曲線，每隔0.1 s 采集一次壓裝力描一個點，依次采集繪制而成。

由于軸承壓裝曲線由滾動軸承壓裝機上的各種傳感器將壓裝力實時顯示在計算機上繪制而成，因此從軸承壓裝曲線上能看出整個軸承壓裝過程的壓裝力變化及存在的問題。

1.3 軸承壓裝曲線含義

軸承壓裝后與車軸的結合部位如圖3 所示，軸承后擋圈、軸承內圈①、軸承內圈②和軸承油封圈這4個部位與車軸均為過盈配合。

圖3 軸承與車軸結合示意圖

軸承壓裝時，主要有軸承內圈①、軸承內圈②、軸承后擋圈和軸承油封圈這4 部位依次與車軸進行過盈壓入。根據式（1），該型軸承的理論壓裝力曲線如圖4 所示。其中：F貼表示軸承壓裝最終貼合力；Fmax表示軸承最大壓裝力；Fmin表示軸承最小壓裝力；Fmax-x表示壓裝力為最大時的軸承壓裝曲線；Fmax-x表示壓裝力為最小時的軸承壓裝曲線。

圖4 軸承壓裝力曲線

根據軸承結構，圖4 中軸承壓裝曲線含義如下：

AB段表示軸承內圈①與車軸軸頸壓裝時的壓裝力變化。由于軸承內圈①與車軸軸頸為過盈配合，因此隨著配合位移的變化，壓裝力不斷增大。

BC段表示軸承內圈①和軸承內圈②的圓角部分與車軸軸頸壓裝時的壓裝力變化。由于軸承內圈①和軸承內圈②的圓角部分與車軸軸頸為間隙配合，因此隨著配合位移的變化，壓裝力不會變化。

CD段表示軸承內圈②與車軸軸頸壓裝時的壓裝力變化。由于軸承內圈②與車軸軸頸為過盈配合，因此隨著配合位移的變化，壓裝力不斷增大。

DE段表示軸承內圈②還沒有完全壓入車軸軸頸、軸承后擋圈開始壓入車軸防塵座時的壓裝力變化。由于增加了軸承后擋圈與車軸防塵擋過盈配合壓入，此時壓裝力斜率會變大，壓裝力也不斷增大。

EF段表示軸承內圈②已經完全壓入、軸承后擋圈還沒有完全壓入、軸承油封圈開始壓入車軸軸頸時的壓裝力變化。由于增加了軸承油封圈與車軸軸頸的過盈配合，此時壓裝力斜率會變大，壓裝力也不斷增大。

FG段表示軸承4 個部位與車軸壓裝到位后，按照規(guī)定的壓裝最終貼合力進行保壓并卸載的階段。時間軸上的0—t1段與位移軸上的FG段對應，表示保壓時間。

理論上，軸承壓裝力隨位移變化的曲線應該如圖4 所示且在陰影區(qū)域內；但實際上，在軸承壓裝過程中，受粗糙度、過盈量、潤滑情況、結合面積等各種因素影響，可能出現(xiàn)軸承壓裝曲線異常或者在局部位置超出陰影區(qū)域的異常情況，因此可以從實際的軸承壓裝曲線來分析軸承壓裝過程中存在的問題。

2 軸承壓裝曲線異常分析

根據軸承壓裝過程力學分析以及軸承壓裝曲線的原理和含義，對軸承壓裝過程中出現(xiàn)的異常曲線進行分析。

2.1 壓裝力波動并伴隨聲響

如圖5 所示，在軸承內圈②與車軸軸頸壓裝時，出現(xiàn)壓裝力一高一低的持續(xù)波動，并且壓裝過程中還伴隨著“嘭嘭嘭”的聲響。

圖5 壓裝力波動的軸承壓裝曲線

2.1.1 原因分析

1）軸承內圈②剛開始壓入時，由于軸承壓裝引導套與車軸軸頸之間有臺階，再加上軸承內圈②受重力影響略有下沉，導致與車軸軸頸引入部配合不良，使軸承內圈②受到猛烈沖擊，出現(xiàn)壓裝力陡升。

2）潤滑劑只涂抹在靠近車軸軸頸端部的一定區(qū)域，隨著軸承內圈①的壓入，一部分潤滑劑被擠到靠近車軸卸荷槽的位置，使得軸頸端部區(qū)域潤滑的潤滑劑厚度變薄、分布均勻性降低，導致潤滑不良。

3）軸承內圈磷化處理不均勻，導致軸承與車軸的實際過盈量出現(xiàn)一高一低的起伏變化。

4）軸承與車軸壓裝過程中要克服摩擦副表面粗糙度波峰的不平整，就導致摩擦力的波動，當波動足夠劇烈時，就會產生持續(xù)的黏滑現(xiàn)象和“嘭嘭嘭”的聲響。

2.1.2 影響分析

為了驗證軸承壓裝力波動并伴隨聲響，是否會影響軸承壓裝質量，選取了6 盤軸承進行拆卸。軸承拆卸過程順暢、無異常，拆卸后對軸承和軸頸、防塵座的外觀狀態(tài)和相關尺寸進行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。最后將拆卸的軸承、軸頸和防塵座清理干凈，調頭進行壓裝，壓入力、貼合力均符合要求，壓裝曲線無異常，軸承轉動靈活，軸承軸向游隙值符合規(guī)定要求。因此，對于軸承壓裝力波動并伴隨聲響的異常壓裝曲線，對軸承壓裝質量無影響，可以判定為合格的。

2.2 壓裝力陡升

如圖6 所示，在壓裝曲線中部出現(xiàn)壓裝力陡升，陡升后又恢復為正常的曲線形態(tài)。

圖6 壓裝力陡升的軸承壓裝曲線

2.2.1 原因分析

1）軸承與車軸壓裝過程中出現(xiàn)局部表面粗糙度波峰過大的情況，使得摩擦力陡增，導致壓裝力陡升。

2）軸承壓裝過程中，受到外力沖擊，造成壓裝力陡升。

2.2.2 影響分析

壓裝力陡升，可能會造成軸承表面或車軸表面被啃傷、拉傷，建議對壓裝力陡升的軸承進行退卸檢查。

2.3 貼合力大

軸承壓入后，需要施加350～400 kN 的貼合力進行保壓，使軸承與車軸緊密貼合。如圖7 所示，軸承貼合力為402 kN，超過規(guī)定的貼合力上限400 kN。

圖7 貼合力大的軸承壓裝曲線

2.3.1 原因分析

軸承貼合力大可能是軸承壓裝機的液壓系統(tǒng)故障或者壓力傳感器的誤差導致。

2.3.2 影響分析

軸承與車軸壓裝后的貼合力大，可能會造成軸承內圈①與軸承后擋圈之間的密封環(huán)被擠壞。

2.4 壓入力小

按照軸承組裝技術規(guī)范要求，軸承壓入力為125～235 kN。如圖8 所示，軸承壓入力為106 kN，低于規(guī)定的壓入力下限125 kN。

圖8 壓入力小的軸承壓裝曲線

2.4.1 原因分析

1）潤滑劑涂抹過度，致使摩擦系數(shù)降低。

2）軸頸表面有波形，軸承壓裝過程中，軸頸與軸承內圈的有效接觸面積小。

2.4.2 影響分析

軸承壓入力是根據式（1）計算的理論壓裝力與壓力損耗、設備機械摩擦力損耗等力的總和，因此每盤軸承壓裝時，由于過盈量、壓力損耗等因素影響，壓入力也會存在差異。一般來說，在壓裝最終貼合力符合要求以及軸承組裝后的其他檢測項點也符合要求的情況下，軸承壓入力小對軸承壓裝質量沒有影響。

2.5 壓裝行程短

軸承壓裝時，壓裝行程為軸承內圈相對車軸軸頸的位移，從有壓力上升的點開始計算，到保壓開始時終止。根據軸承結構計算，壓裝行程最小為163 mm。如圖9 所示，軸承壓裝后，行程約為105 mm，遠小于最小行程163 mm。

圖9 壓裝行程短的軸承壓裝曲線

2.5.1 原因分析

1）設備傳感器故障，未能正確顯示壓裝曲線。

2）軸承壓裝進程中，出現(xiàn)軸承卡滯等異常情況導致軸承未能繼續(xù)壓入。由于軸承壓裝時是一條輪對上的兩盤軸承同時壓裝，在正常壓裝到位的一盤軸承開始保壓時，未能正常壓裝到位的一盤軸承也會直接進行保壓狀態(tài)。

2.5.2 影響分析

軸承壓裝行程過短，軸承可能沒有壓裝到位，不僅會影響軸承組裝質量，也會影響軸端部件的安裝。

3 改進措施

為解決軸承壓裝曲線異常的問題，提高軸承壓裝質量，根據軸承壓裝原理和異常曲線的原因分析，提出以下優(yōu)化改進措施。

3.1 設備改進

為了避免由設備原因導致的軸承壓裝曲線異常，對設備校準要求如下：軸承壓裝機整機檢測周期一般情況為6 個月，批量生產時為3 個月。如果傳感器損壞或更換過，則需在修復后對傳感器重新進行校準。

3.2 軸承壓裝引導套改進

為了減少軸承壓裝引導套與車軸軸頸之間的臺階，對軸承壓裝引導套改進如下：

1）提高引導套與車軸軸頸的同軸度。引導套與軸端的連接方式為螺栓連接，螺栓通過引導套上的四個孔將引導套與車軸軸端的四個螺紋孔連接。原來引導套上的四個孔沒有位置度要求，引導套安裝后，與車軸軸頸存在有的區(qū)域臺階高，有的區(qū)域沒有臺階的情況。改進后，要求引導套的四個孔相對于引導套外表面的位置度為0.5 mm，從而提高引導套安裝后與車軸軸頸的同軸度。

2）降低引導套與車軸軸頸的直徑差值。原來軸承壓裝引導套的直徑值為Φ130（-0.55～-0.45）mm，而車軸軸頸的尺寸為Φ130（+0.043～+0.068）mm，就導致引導套與車軸軸頸在水平面上的差值大于0.2 mm。改進后，將引導套的直徑值改為Φ130（-0.30～-0.20）mm，使得引導套與車軸軸頸在水平面上的差值不超過0.2 mm。

3.3 工藝優(yōu)化

1）增加軸頸引導角打磨要求。在輪對準備階段，對車軸軸頸前端的引導角進行打磨圓滑，避免引導角位置的棱角、臺階、毛刺和高點等造成壓裝力陡升。

2）增加軸承內圈內表面涂抹蓖麻油要求。在軸承內圈內表面均勻涂抹薄薄一層蓖麻油增加潤滑，避免因軸承內圈磷化不均勻、軸承壓裝過程潤滑不均勻等導致的軸承壓裝曲線異常。

3）提高過盈量選配要求。嚴格按照工藝文件要求對軸承尺寸、軸頸尺寸、防塵座尺寸進行測量，并按照過盈量的中間值進行選配。

4 改進效果

針對軸承壓裝過程中出現(xiàn)的軸承壓裝曲線異常問題，并按照以上改進措施對設備、工裝和工藝進行整改。改進后軸承的壓裝質量明顯提高，幾乎沒有出現(xiàn)壓裝曲線波動、壓裝力陡升、貼合力力大、壓入力小、壓裝行程短等異常情況。改進后的軸承壓裝曲線如圖10 所示。

圖10 改進后的軸承壓裝曲線

5 結語

通過對軸承壓裝原理進行介紹、軸承壓裝曲線異常原因進行分析以及制定相應的優(yōu)化改進措施，從而保證了軸承壓裝曲線符合要求、提高了軸承壓裝質量，也對其他車輛軸承壓裝曲線異常問題分析及解決提供了一定的參考。