市域車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱軸承壓板定位銷斷裂漏油故障分析

劉曉金

（廣東城際鐵路運(yùn)營有限公司，廣東廣州 511458）

0 引言

轉(zhuǎn)向架是承擔(dān)地鐵列車車體及車輛沿軌道走行的支撐裝置，是地鐵車輛的核心部件之一，其主要作用為支撐車體，傳遞載荷。齒輪箱是地鐵列車轉(zhuǎn)向架中的關(guān)鍵部件，其工作性能直接影響到地鐵運(yùn)行的可靠性、平穩(wěn)性和安全性[1]，齒輪箱常見的問題是齒輪箱漏油。齒輪箱的密封采用接觸密封和非接觸密封兩種方式，齒輪箱的漏油故障中大多為密封失效導(dǎo)致漏油。廣州地鐵18號線列車齒輪箱的密封采用接觸密封和非接觸密封兩種方式，整個齒輪箱內(nèi)，軸承蓋—軸承座、軸承座—箱體之間的接觸密封均采用橡膠O形圈密封；上下箱體分箱面處以及其他各處的接觸密封均采用密封膠的方式密封。對于齒輪箱主動齒輪軸和車軸等貫通部位的密封，采用非接觸式密封[2]。齒輪、軸承潤滑采用飛濺潤滑方式，并使用相同的潤滑油。齒輪箱具有合適的隔板、油槽和通道，以保證在各種速度、負(fù)荷、溫度和氣候條件下，所有的軸承和齒輪都有足夠的潤滑。電機(jī)小齒輪小軸承壓板定位銷斷裂，軸承壓板發(fā)生周向轉(zhuǎn)動，擋住回油孔，致使回油不暢導(dǎo)致的漏油是一種不常見的齒輪箱漏油形式。

1 問題描述

廣州地鐵18號線開通初期發(fā)生一起電機(jī)側(cè)小齒輪端蓋漏油的故障，初次發(fā)現(xiàn)齒輪箱漏油現(xiàn)象后，檢查油位低于下刻度線，組織加油并更換墊圈后跟蹤運(yùn)營，次日晚復(fù)查發(fā)現(xiàn)油位再次低于下刻度線，隨即組織線上動車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漏油點(diǎn)在電機(jī)側(cè)小齒輪端蓋處。

經(jīng)拆解齒輪箱發(fā)現(xiàn)，電機(jī)小齒輪小軸承壓板定位銷斷裂，軸承壓板發(fā)生周向轉(zhuǎn)動，擋住回油孔，導(dǎo)致齒輪箱漏油。該處的結(jié)構(gòu)如圖1所示，小軸承由軸承內(nèi)圈和軸承外圈組成，軸承內(nèi)圈過盈安裝在小齒輪軸上，軸承外圈過盈安裝在小軸承座上；小軸承壓板間隙安裝在軸承座內(nèi)，小密封圈過盈安裝在小齒輪軸上，小密封端蓋、小軸承座通過螺栓固定在齒輪箱上。

圖1 小齒輪端結(jié)構(gòu)

小軸承壓板通過與軸承座形成潤滑油腔，對球軸承進(jìn)行潤滑，使通過回油孔進(jìn)入箱體內(nèi)部的潤滑油回到箱體外部，起到密封的作用。定位銷的主要作用是防止小軸承壓板安裝錯誤擋住回油孔，同時防止小軸承壓板轉(zhuǎn)動，如圖2所示。

圖2 定位銷作用

2 問題分析

為分析軸承壓板定位銷斷裂的原因，下文從定位銷的強(qiáng)度分析、失效分析、安裝工藝等方面進(jìn)行探討。

2.1 軸承壓板定位銷強(qiáng)度分析

如圖3所示，小軸承壓板銷孔直徑為φ6.5（-0.05～+0.1）mm，定位銷開槽部位直徑為φ6.3±0.05 mm，小軸承壓板與定位銷的單邊間隙值為0.05～0.175 mm。

圖3 小軸承壓板尺寸鏈分析

小軸承壓板外徑為φ170（-0.06～0）mm，小軸承座內(nèi)徑為φ170（0～+0.04）mm，小軸承壓板與小軸承座單邊間隙為0～0.05 mm。

綜上，小軸承壓板與小軸承座的間隙小于小軸承壓板與定位銷的間隙，小軸承壓板受到?jīng)_擊振動時小軸承壓板外圓與軸承座先接觸，承受沖擊力。

小軸承壓板非中心對稱，質(zhì)心偏離幾何中心約1.9 mm，在小軸承壓板振動時，偏心會使小軸承壓板有旋轉(zhuǎn)的趨勢，使得定位銷產(chǎn)生額外的負(fù)載。根據(jù)受力分析，質(zhì)心的偏移對定位銷產(chǎn)生的載荷約為0.4 N，對定位銷產(chǎn)生的影響極小，但會導(dǎo)致小軸承壓板存在周向轉(zhuǎn)動趨勢。在轉(zhuǎn)動趨勢的影響下，小軸承壓板銷孔與定位銷接觸，在振動的作用下軸承壓板外徑與軸承座內(nèi)孔之間存在另一接觸點(diǎn)，對軸承壓板進(jìn)行約束，軸承壓板受力才能平衡，如圖4所示。這種狀態(tài)下，定位銷承受軸承壓板的部分振動沖擊。

圖4 軸承壓板接觸狀態(tài)

對定位銷強(qiáng)度進(jìn)行仿真計算，疲勞振動工況下定位銷的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 定位銷應(yīng)力云圖

計算結(jié)果表明，在疲勞振動工況下，定位銷的最大局部剪應(yīng)力為45.88 MPa，小于材料的剪切疲勞強(qiáng)度203 MPa，因此定位銷的疲勞強(qiáng)度能滿足要求。

2.2 軸承壓板定位銷失效分析

2.2.1 金相組織、硬度化學(xué)成分檢查

對定位銷進(jìn)行金相組織、硬度化學(xué)成分檢查，結(jié)果表明，定位銷金相組織為奧氏體，晶粒度為8.5級，本體硬度為220HV1，成分為304不銹鋼材質(zhì)。

2.2.2 宏觀外貌檢查

如圖6所示，銷孔內(nèi)殘余的定位銷斷口形貌保存較為完好，對其進(jìn)行進(jìn)一步解剖發(fā)現(xiàn)，斷面整體平滑、弧線清晰，呈典型的疲勞斷裂，根據(jù)弧線收斂方向可判斷疲勞源位于圖中虛線處，包括疲勞源1和疲勞源2兩處，其產(chǎn)生位置及擴(kuò)展方向與圓周方向約成30°夾角，且疲勞源1為主裂源，擴(kuò)展更為充分。此外，斷面未見明顯瞬斷區(qū)特征，說明斷裂處名義應(yīng)力很小。值得注意的是，左圖與定位銷圓弧面對應(yīng)的銷孔表面可見明顯的變形情況，且與疲勞源1對應(yīng)的位置處變形區(qū)域最大。

圖6 斷口宏觀形貌

2.2.3 電鏡形貌檢查

將斷口采用無水乙醇超聲清洗后進(jìn)行電鏡形貌觀察和能譜分析：

1）瞬斷區(qū)占比僅約1%，表明斷裂處名義應(yīng)力極小，這與宏觀判斷一致；

2）疲勞源處溝線清晰，為多源疲勞斷裂特征，源區(qū)位于定位銷圓弧面表面，未見夾雜、夾渣等冶金缺陷；

3）擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶清晰，瞬斷區(qū)呈韌窩形貌；

4）斷口邊緣磨損嚴(yán)重（包括源區(qū)），形貌無法觀察；

5）面掃描分析結(jié)果顯示源區(qū)未見異常元素殘留。

進(jìn)一步對上述銷孔和斷銷表面進(jìn)行電鏡形貌觀察和能譜分析，疲勞源1側(cè)銷孔局部被“啃掉”部位基體已轉(zhuǎn)移至銷子表面，而與疲勞源對應(yīng)的銷孔邊緣平滑、未見異常。疲勞源1對應(yīng)的銷子表面可見軸向“拉毛”現(xiàn)象，局部出現(xiàn)顯微裂紋。疲勞源2側(cè)同樣沿軸向粘著現(xiàn)象明顯，銷孔基體轉(zhuǎn)移至銷子表面。

根據(jù)上述檢查結(jié)果可知，該定位銷的失效模式為低應(yīng)力高周疲勞斷裂，兩處疲勞源均位于銷子圓弧表面，源區(qū)未見冶金缺陷和明顯機(jī)械損傷，但可見軸向擦傷痕跡。斷銷與銷孔內(nèi)壁發(fā)生明顯的粘著咬合現(xiàn)象，四等分后仍然難以取出，且與主疲勞源對應(yīng)的銷孔邊緣存在較大范圍的應(yīng)變區(qū)，銷孔下端局部粘著現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.3 軸承壓板定位銷安裝工藝分析

齒輪箱小軸承壓板定位銷安裝工藝過程如下：

1）軸承外圈與定位銷安裝：

將電機(jī)側(cè)圓柱軸承外圈安裝至軸承座（電機(jī)側(cè)），用鐓套鐓緊；將軸承壓板對準(zhǔn)銷孔后放入軸承座，定位銷6×18有倒角一頭放入銷孔，通過安裝工具敲入小軸承座（電機(jī)側(cè)）銷孔中，如圖7所示。

圖7 定位銷安裝示意圖

2）小齒輪組件安裝：

將小齒輪組件裝入上箱體，使用螺栓和防松墊圈將小齒輪組件固定在齒輪箱上。安裝小軸承壓板（電機(jī)側(cè)）：旋轉(zhuǎn)小軸承壓板（電機(jī)側(cè)）使銷孔對準(zhǔn)槽銷，輕敲直至落入小軸承座（電機(jī)側(cè)）底部，加熱小密封圈，將其熱套至小齒輪軸上，用鐓套鐓緊，安裝小密封端蓋（電機(jī)側(cè)）。

在將定位銷敲入小軸承座銷孔的過程中，雖然利用了軸承壓板銷孔作為定位銷的安裝導(dǎo)向孔，但仍存在定位銷敲擊后歪斜的可能性。

綜上分析，可以得出定位銷斷裂的原因是：定位銷在安裝過程中發(fā)生歪斜，導(dǎo)致銷與銷孔內(nèi)壁產(chǎn)生初始擦傷。隨著定位銷進(jìn)一步敲入，擦傷加劇，在孔內(nèi)產(chǎn)生粘連，粘連后需使用更大的敲擊力方可將其敲入。在施加更大的敲擊力后，定位銷在銷孔孔口部位初始應(yīng)力較大，疊加車輛運(yùn)動過程中的振動沖擊載荷，造成低應(yīng)力高周疲勞斷裂。

3 結(jié)論

本文主要分析了齒輪箱軸承壓板定位銷斷裂的原因，得出齒輪箱軸承壓板定位銷安裝過程中可能存在不滿足工藝要求的情況，導(dǎo)致定位銷在銷孔孔口部位初始應(yīng)力較大，疊加列車運(yùn)動過程中反復(fù)的沖擊載荷，造成疲勞斷裂。