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SDB80 型地铁车辆轴箱轴承压装问题分析

2019-05-31 14:11:19
   中车四方股份公司设计的 SDB80 型地铁车辆应用 于多个城市轨道交通项目 , 车辆轴箱轴承采用压装的 方式组装 。 在车辆架 、 大修轴承检修退卸过程中 , 发现 少数轴承 、 车轴存在划伤问题 。 以往轴箱轴承的压装 使用移动式压力机 , 压装力从压力表上读取 , 压装过程 力不能实 时 记 录 , 难 以 提 前 发 现 压 装 潜 在 质 量 问 题 。 2016 年开始 , 公司采用能实时记录压装力并绘制压力 曲线的压力机压装 , 通过研究压力曲线 , 发现部分轴承 压装过程中压力曲线上升异常及压力曲线存在压力波 动 ( 跳吨 ) 问题 。 其中 压 装 力 上 升 异 常 的 轴 承 退 卸 后 , 车轴 、 轴承易存在划伤问题 , 划伤严重的车轴及轴承不 能修复导致产品报废 , 压力波动 ( 跳吨 ) 导致产品组装 合格率降低 , 造成返工 。 因此 , 研究解决轴承压装压力 上升异常 、 跳吨问题对于降低轴承退卸划伤率 、 提高轴 箱轴承压装合格率有重要意义。

1 轴箱轴承压装简介

   轴箱轴承压装过程为 : 清洁车轴轴颈并在 距 轴 端 60mm 的范围内 涂 抹 二 硫 化 钼 润 滑 剂 , 利 用 车 轴 端 部 三个螺孔 及 中 心 孔 在 车 轴 端 部 定 位 组 装 轴 端 引 导 工装 , 将轴承预组到轴端引导工装上 , 然后用压力机推动 组装套圈将轴承压入到车轴上 ( 见图 1) 。 压装设备有 移动式压力机和固定式压力机两种 : 移动式压力机可 以自由移动 , 压装时通过压力表读取压力值 , 压装时一 次只能压装车轴的一端 ; 固定式压力机不能移动 , 具备 实时显示 、 记 录 压 力 功 能 , 压 装 时 车 轴 两 端 可 以 同 时 压装 。

2 存在问题

通过对固 定 式 压 力 机 轴 箱 轴 承 压 力 曲 线 进 行 分 析 , 压装过程主要存在以下问题 。
(1 ) 压装力上升异常 ( 见图 2) , 退卸后 , 车轴及轴承 易出现划伤 , 个别车轴 、 轴承划伤严重 , 不能继续使用 。

(2 ) 压装曲线出现跳吨现象 , 波动明显 ( 见图 3) , 在 曲线波动过程中 , 轴承相对于车轴时进时停 , 出现振动 现象 。 跳吨的轴承退卸后一般无划伤 , 但有的项目对 压力曲线有要求 , 影响压装合格率 。

3 原因分析

3.1影响轴箱轴承压装力的因素
   
轴承在压装过程中受力情况如下 :
 当轴承压入车轴轴颈中时 , 压装力 F 主要包括两 部分 : 一部分是轴承内圈与车轴轴颈配合部位因径向 正压力产生的 动 摩 擦 力 F1;另 一 部 分 是 车 轴 、 轴 承 引 导 端 斜 角 分 别 克 服 轴 承 、 车 轴 弹 性 变 形 产 生 的 轴 向 力 F2。
 F1 的大小可用下式近似计算 :

 F1≈πdLpμ ≈πdLμ δE( R 2 -r 2 )/(4 R 2 r) (1 ) 式中 ,d : 车轴直径 ,L : 结合面的长度 ,p : 径向正压 力 ,δ : 过盈量 ,E : 弹性系数 ,R :1 /2轴承内圈外径 ,r :1 /
 
   对于该型轴承及车轴 ,d 、δ 、E 、R 、r均为定值 。 匀 速压装过程中 ,L 的数值随着压装的进行均 匀 增 加 , μ 主要与润滑剂的选用及涂抹状态有关 。
 F2 的存在导致压力曲线起点陡升以及曲线末端 因轴承内圈已逐渐完全压入所产生压力下降 。
  

  正常的压力曲线前端起点陡升后基本沿一定的斜 率上升 , 并在曲线的末端出现一定的缓慢下降 , 见图 4。
 


3.2 压装力异常上升原因分析

    压力异常上升的曲线 ( 见图 3)主要存在以下几个 问题 :(1 ) 起点陡升过高 。(2 ) 起点陡升后曲线上升斜 率过大 , 或者出现斜率逐渐变大的情况 。(3 ) 曲线末端 无压力降低现象 。
   
  异常上升的压力曲线表明在正常的压装 力 以 外 , 出现了一个额外的力阻碍轴承与车轴间相对移动 , 此 种情况下 , 车轴及轴承配合表面大概率存在划伤问题 。 因为压装过程车轴 、 轴承划伤后 , 需要更大的力克服车 轴与轴承表面划伤产生的塑性变形 , 而且划伤的程度 会随着压装的进行逐渐扩大 , 所需要增加的压装力也 越来越大 。

 造成这种现象有以下可能的原因 :
 (1 ) 在压入过程中 , 轴承未能对中 , 轴承与车轴 配 合部位径向受力不均匀 , 受力大的部位润滑膜破坏 , 车 轴与轴承内圈局部黏着损坏 。 经过调查 , 对压装轴承 的工装 及 设 备 进 行 检 查 , 可 以 排 除 轴 承 未 能 对 中 的 可能 。

 (2 ) 车轴轴颈前端或轴承内圈引导端过渡存在加 工接刀尖角 , 未圆滑过渡 , 使压装前端引导角度增加 , 压装引入瞬间 , 车轴引导端克服轴承内圈弹性变形及 轴承内圈克服车轴弹性变形产生的轴向力 F2 增大 , 压 装曲线前端可以看出出现较大的陡升 。 轴向力增大使 得局部润滑膜承受压力加大 , 润滑膜易被破坏 , 润滑膜 破坏后 , 在压装过程中没有新的润滑剂补充 , 车轴与轴 承内圈会发生黏着损坏 。

 该车型车轴前端引导斜角为 1: 3~1: 5,过渡部分 在车床上圆滑打磨 , 不存在接刀尖角 。 轴承内圈引导 部位图纸上为最小 R2.1mm 的圆角 , 实际轴承圆角未 能与内圈 表 面 圆 滑 过 渡 , 有 一 个 过 渡 区 , 存 在 轻 微 尖 角 , 具体 见 图 5。该 轴 承 压 装 时 , 仅 在 车 轴 上 距 轴 端60mm 范围内涂抹二硫化钼 。



 压装开始后 , 车轴引导与轴承引导接触 , 随后车轴 引导与轴承引导分别与车轴轴颈 、 轴承内圈接触并相 对移动 , 因车轴初始涂抹润滑剂较厚 , 轴承内圈将润滑 剂在车轴轴颈表面推动并在轴承引导端与车轴结合部 聚集 , 此时润滑剂在车轴轴颈表面从轴承引导端到车 轴引导端逐渐变少 , 见图 6。


   当轴承引导端存在尖角时 , 轴承内圈经过的 车 轴 部位润滑油膜易磨损破坏 , 车轴与轴承内圈表面润滑 恶化 , 特别是车轴引导端最为恶劣 , 随着压装的进行 , 车轴引导端与轴承内圈最先开始发生黏着划伤 , 随后 划伤进一步扩大 ( 见图 7) 。

4 改进措施

  从以上各影响因素综合分析 , 通过改进轴 承 引 导 角 、 改善润滑方法可以减少压装划伤的问题 。 通过降 低车轴与轴承配合表面动静摩擦系数 、 提高压装速度 可以减少压装过程中的跳吨现象 , 具体改进措施如下 。

  (1 ) 改进轴承引导角 , 在轴承内圈的加工要求中增 加打磨要求 , 将轴承引导部分的圆角与内圈内径接触 部位圆滑打磨处理 , 见图 8 所示 。



(2 ) 改善润滑 , 针对压装过程中车轴引导端相对润 滑不良的情况 , 同时考虑到避免润滑剂对轴承油脂的 污染 , 在轴承引导端 20mm 范围内涂抹蓖麻油 , 在压装 过程中 , 蓖麻油会在车轴引导端聚集 , 改善车轴引导端 的润滑 , 改善后压装过程中的润滑情况见图 9。 


(3 ) 提高压装速度 , 使压装速度大于突进的临界速 度 V 0 。

 改善润滑后 , 车轴与轴承表面动静摩擦系 数 差 增 大 , 压装过程中轴承更容易突进 。 通过试验验证 , 将轴 承压装速度由 90mm/ min 提高到 150mm/ min,该型轴 承的压装跳吨问题得到很好的改善 , 轴承跳吨率降低 到 4% 以内 。

5 实施效果

  通过采取上述改进措施 , 有效避免了轴承 压 装 时 压力上升异常 、 车轴与轴承划伤问题 , 降低了压力曲线 跳吨现象 , 使轴承压装一次合格率达到 96%,有效控制 了轴箱 轴 承 压 装 质 量 , 产 生 显 著 的 社 会 效 益 及 经 济 效益 。

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