李茂原

　　摘　要：對SDB80型地鐵車輛軸箱軸承壓裝劃傷問題、壓裝曲線跳噸進行分析，根據摩擦潤滑、摩擦振動理論和實踐經驗，提出解決問題的措施。

　　關鍵詞：軸箱軸承；壓裝；跳噸；劃傷；分析
　　1　引言

　　中車四方股份公司設計的SDB80型地鐵車輛應用于多個城市軌道交通項目，車輛軸箱軸承采用壓裝的方式組裝。在車輛架、大修軸承檢修退卸過程中，發(fā)現(xiàn)少數軸承、車軸存在劃傷問題。以往軸箱軸承的壓裝使用移動式壓力機，壓裝力從壓力表上讀取，壓裝過程力不能實時記錄，難以提前發(fā)現(xiàn)壓裝潛在質量問題。2016年開始，公司采用能實時記錄壓裝力并繪制壓力曲線的壓力機壓裝，通過研究壓力曲線，發(fā)現(xiàn)部分軸承壓裝過程中壓力曲線上升異常及壓力曲線存在壓力波動（跳噸）問題。其中壓裝力上升異常的軸承退卸后，車軸、軸承易存在劃傷問題，劃傷嚴重的車軸及軸承不能修復導致產品報廢，壓力波動（跳噸）導致產品組裝合格率降低，造成返工。因此，研究解決軸承壓裝壓力上升異常、跳噸問題對于降低軸承退卸劃傷率、提高軸箱軸承壓裝合格率有重要意義。

　　2　軸箱軸承壓裝簡介

　　軸箱軸承壓裝過程為：清潔車軸軸頸并在距軸端60mm的范圍內涂抹二硫化鉬潤滑劑，利用車軸端部三個螺孔及中心孔在車軸端部定位組裝軸端引導工裝，將軸承預組到軸端引導工裝上，然后用壓力機推動組裝套圈將軸承壓入到車軸上（見圖1）。壓裝設備有移動式壓力機和固定式壓力機兩種：移動式壓力機可以自由移動，壓裝時通過壓力表讀取壓力值，壓裝時一次只能壓裝車軸的一端;固定式壓力機不能移動，具備實時顯示、記錄壓力功能，壓裝時車軸兩端可以同時壓裝。

　　3　存在問題

　　通過對固定式壓力機軸箱軸承壓力曲線進行分析，壓裝過程主要存在以下問題。

　?。?）壓裝力上升異常（見圖2），退卸后，車軸及軸承易出現(xiàn)劃傷，個別車軸、軸承劃傷嚴重，不能繼續(xù)使用。

　?。?）壓裝曲線出現(xiàn)跳噸現(xiàn)象，波動明顯（見圖3），在曲線波動過程中，軸承相對于車軸時進時停，出現(xiàn)振動現(xiàn)象。跳噸的軸承退卸后一般無劃傷，但有的項目對壓力曲線有要求，影響壓裝合格率。

　　4　原因分析

　　4.1影響軸箱軸承壓裝力的因素

　　軸承在壓裝過程中受力情況如下：

　　當軸承壓入車軸軸頸中時，壓裝力F主要包括兩部分：一部分是軸承內圈與車軸軸頸配合部位因徑向正壓力產生的動摩擦力F1；另一部分是車軸、軸承引導端斜角分別克服軸承、車軸彈性變形產生的軸向力F2。

　　F1的大小可用下式近似計算：

　　F1≈πdLpμ≈πdLμδE（R2-r2）/（4R2r）（1）

　　式中，d：車軸直徑，L：結合面的長度，p：徑向正壓力，δ：過盈量，E：彈性系數，R：1/2軸承內圈外徑，r：1/2軸承內圈內徑，μ：摩擦系數。

　　對于該型軸承及車軸，d、δ、E、R、r均為定值。勻速壓裝過程中，L的數值隨著壓裝的進行均勻增加，μ主要與潤滑劑的選用及涂抹狀態(tài)有關。

　　F2的存在導致壓力曲線起點陡升以及曲線末端因軸承內圈已逐漸壓入所產生壓力下降。

　　正常的壓力曲線前端起點陡升后基本沿一定的斜率上升，并在曲線的末端出現(xiàn)一定的緩慢下降，見圖4。

　　4.2壓裝力異常上升原因分析

　　壓力異常上升的曲線（見圖3）主要存在以下幾個問題：（1）起點陡升過高。（2）起點陡升后曲線上升斜率過大，或者出現(xiàn)斜率逐漸變大的情況。（3）曲線末端無壓力降低現(xiàn)象。

　　異常上升的壓力曲線表明在正常的壓裝力以外，出現(xiàn)了一個額外的力阻礙軸承與車軸間相對移動，此種情況下，車軸及軸承配合表面大概率存在劃傷問題。因為壓裝過程車軸、軸承劃傷后，需要更大的力克服車軸與軸承表面劃傷產生的塑性變形，而且劃傷的程度會隨著壓裝的進行逐漸擴大，所需要增加的壓裝力也越來越大。

　　造成這種現(xiàn)象有以下可能的原因：

　?。?）在壓入過程中，軸承未能對中，軸承與車軸配合部位徑向受力不均勻，受力大的部位潤滑膜破壞，車軸與軸承內圈局部黏著損壞。經過調查，對壓裝軸承的工裝及設備進行檢查，可以排除軸承未能對中的可能。

　?。?）車軸軸頸前端或軸承內圈引導端過渡存在加工接刀尖角，未圓滑過渡，使壓裝前端引導角度增加，壓裝引入瞬間，車軸引導端克服軸承內圈彈性變形及軸承內圈克服車軸彈性變形產生的軸向力F2增大，壓裝曲線前端可以看出出現(xiàn)較大的陡升。軸向力增大使得局部潤滑膜承受壓力加大，潤滑膜易被破壞，潤滑膜破壞后，在壓裝過程中沒有新的潤滑劑補充，車軸與軸承內圈會發(fā)生黏著損壞。

　　該車型車軸前端引導斜角為1：3～1：5，過渡部分在車床上圓滑打磨，不存在接刀尖角。軸承內圈引導部位圖紙上為最小R2.1mm的圓角，實際軸承圓角未能與內圈表面圓滑過渡，有一個過渡區(qū)，存在輕微尖角，具體見圖5。該軸承壓裝時，僅在車軸上距軸端60mm范圍內涂抹二硫化鉬。

　　壓裝開始后，車軸引導與軸承引導接觸，隨后車軸引導與軸承引導分別與車軸軸頸、軸承內圈接觸并相對移動，因車軸初始涂抹潤滑劑較厚，軸承內圈將潤滑劑在車軸軸頸表面推動并在軸承引導端與車軸結合部聚集，此時潤滑劑在車軸軸頸表面從軸承引導端到車軸引導端逐漸變少，見圖6。

　　當軸承引導端存在尖角時，軸承內圈經過的車軸部位潤滑油膜易磨損破壞，車軸與軸承內圈表面潤滑惡化，特別是車軸引導端惡劣，隨著壓裝的進行，車軸引導端與軸承內圈開始發(fā)生黏著劃傷，隨后劃傷進一步擴大（見圖7）。

　　4.3壓力曲線跳噸原因分析

　　跳噸現(xiàn)象是一種復雜的摩擦振動現(xiàn)象，由于摩擦副的支承彈性影響，滑動摩擦過程中常出現(xiàn)摩擦振動。發(fā)生摩擦振動的宏觀條件是存在下降的摩擦系數速度特性，在一定的速度范圍內，摩擦系數隨速度增大呈現(xiàn)下降現(xiàn)象。

　　國內有研究表明，產生壓裝跳噸的原因為壓裝臨界速度V0大于組裝速度。V0可以用下式近似計算：

　　V0=πdLδEΔf（R2-r2）8rR2πξkm（2）

　　其中ξ為阻尼比，k為傳動系統(tǒng)的剛度，與設備有關，Δf為車軸與軸承結合面動、靜摩擦系數之差。

　　從公式（2）可以看出，在車軸、軸承及設備選定的情況下，m、k、ξ、E、d、R、r、δ均為定值。臨界速度隨著壓裝行程L的變大而變大，在壓裝后期，易出現(xiàn)臨界速度大于壓裝速度的情況，就會產生跳噸現(xiàn)象。Δf為車軸與軸承結合面動、靜摩擦系數之差，潤滑方法的改變也能對軸承跳噸現(xiàn)象產生影響，充分潤滑的情況下，動靜摩擦系數差相對較大，潤滑不充分的條件下，動靜摩擦系數差值相對較小。

　　5　改進措施

　　從以上各影響因素綜合分析，通過改進軸承引導角、改善潤滑方法可以減少壓裝劃傷的問題。通過降低車軸與軸承配合表面動靜摩擦系數、提高壓裝速度可以減少壓裝過程中的跳噸現(xiàn)象，具體改進措施如下。

　?。?）改進軸承引導角，在軸承內圈的加工要求中增加打磨要求，將軸承引導部分的圓角與內圈內徑接觸部位圓滑打磨處理，見圖8所示。

　　（2）改善潤滑，針對壓裝過程中車軸引導端相對潤滑不良的情況，同時考慮到避免潤滑劑對軸承油脂的污染，在軸承引導端20mm范圍內涂抹，在壓裝過程中，會在車軸引導端聚集，改善車軸引導端的潤滑，改善后壓裝過程中的潤滑情況見圖9。

　?。?）提高壓裝速度，使壓裝速度大于突進的臨界速度V0。

　　改善潤滑后，車軸與軸承表面動靜摩擦系數差增大，壓裝過程中軸承更容易突進。通過試驗驗證，將軸承壓裝速度由90mm/min提高到150mm/min，該型軸承的壓裝跳噸問題得到很好的改善，軸承跳噸率降低到4%以內。

　　6　實施效果

　　通過采取上述改進措施，有效避免了軸承壓裝時壓力上升異常、車軸與軸承劃傷問題，降低了壓力曲線跳噸現(xiàn)象，使軸承壓裝一次合格率達到96%，有效控制了軸箱軸承壓裝質量，產生顯著的社會效益及經濟效益。

　　參考文獻

　　[1]GB/T5371-2004.極限與配合、過盈配合的計算和選用[S].

　　[2]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理[M].北京：清華大學出版社，2012.

　　[3]戴曙.金屬切削機床[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

　　[4]劉秩勛.車輛輪對組裝中跳噸現(xiàn)象的分析[J].機車車輛工藝，2000，（2）.

來源：《現(xiàn)代商貿工業(yè)》2019年17期