楊明奇，柴靈芝 ，奚強(qiáng)，高武正

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)是機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)端軸承是牽引電動(dòng)機(jī)的重要部件，軸承故障將直接影響機(jī)車的行車安全。驅(qū)動(dòng)端軸承通常選用圓柱滾子軸承，由于工作中受到軸向沖擊和振動(dòng)等影響，其保持架通常選用實(shí)體保持架，其中鉚接式組合保持架因加工工藝的便捷性被廣泛應(yīng)用，但其鉚接質(zhì)量直接影響軸承的使用性能及壽命[1-2]。

機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)日常運(yùn)行和檢修過程中經(jīng)常出現(xiàn)軸承故障，通過對(duì)3種國產(chǎn)機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)故障檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，軸承故障占電動(dòng)機(jī)總故障的3.5%～7.5%[3]，而軸承故障中比較常見的缺陷是保持架鉚釘松動(dòng)、鉚釘頭折斷及保持架脫開等。因此對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)用圓柱滾子軸承保持架的鉚接進(jìn)行分析改進(jìn)。

1 保持架傳統(tǒng)鉚接方式

圓柱滾子軸承鉚接式組合保持架的鉚接方法主要有冷沖壓鉚接和電加熱鉚接。

冷沖壓鉚接是在專用壓力機(jī)上通過使用模具使鉚釘沖壓變形進(jìn)行鉚接，鉚接質(zhì)量受鉚釘頭端面平整度和鉚釘放置的影響。鉚釘通常為冷剪切剪斷，鉚釘頭端面難免出現(xiàn)不平整；鉚接時(shí)很難保證鉚釘?shù)慕^對(duì)垂直，鉚接過程中容易造成鉚釘頭歪斜、表面裂紋等缺陷。當(dāng)鉚釘頭根部產(chǎn)生裂紋時(shí)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受沖擊和振動(dòng)等的影響，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，甚至?xí)疸T釘頭疲勞斷裂，從而導(dǎo)致鉚接失效，影響軸承的正常使用。鉚接時(shí)鉚接頭歪斜必然造成返修，耗費(fèi)人力、物力，增加生產(chǎn)成本，也易對(duì)保持架造成損傷，且鉚接頭歪斜會(huì)導(dǎo)致拆釘時(shí)鉚釘孔兩端局部微小變形，再次裝釘鉚接時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小間隙，該間隙在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中受沖擊和振動(dòng)等的影響將發(fā)生微動(dòng)磨損，從而產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉚釘頭斷裂或脫落[4-5]。

電加熱鉚接是利用電鉚機(jī)通電加熱鉚釘，鉚釘達(dá)到一定溫度后在電鉚機(jī)壓力作用下鉚接。電加熱鉚接主要受鉚接設(shè)備性能的穩(wěn)定性和鉚釘材料力學(xué)性能等因素的影響，鉚接過程電流波動(dòng)會(huì)造成鉚接壓力不穩(wěn)定，鉚釘頭過燒或加熱不足易導(dǎo)致鉚接不到位、松動(dòng)等問題。

文獻(xiàn)[6]對(duì)軸承保持架鉚釘失效原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：熱鉚接可以保證形成的鉚釘頭與保持架端面及鉚釘孔的緊密配合，但強(qiáng)度較低，在特定條件(如振動(dòng))下可能出現(xiàn)微動(dòng)磨損，進(jìn)而導(dǎo)致鉚釘疲勞斷裂。牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承為浮動(dòng)端，工作中受到軸向沖擊和振動(dòng)的影響，保持架會(huì)持續(xù)受到滾子的軸向沖擊力，因此，鉚釘容易出現(xiàn)疲勞斷裂。

文獻(xiàn)[7]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承保持架鉚釘頭脫落原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：當(dāng)鉚釘頭端面和保持架端面存在微小間隙時(shí)，鉚釘與保持架在高頻、小振幅振動(dòng)環(huán)境中發(fā)生反復(fù)相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，隨著運(yùn)動(dòng)速度和方向的不斷改變，在鉚釘頭端面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，當(dāng)其超過磨粒壓潰強(qiáng)度時(shí)，鉚釘頭摩擦表面產(chǎn)生塑性變形直至疲勞斷裂。

2 技術(shù)改進(jìn)

2.1 鉚釘材料的改進(jìn)

鉚釘材料由傳統(tǒng)的ML15或ML20改為40CrNiMo，依據(jù)YB/T 5144—2006 《軸承保持器用碳素結(jié)構(gòu)鋼絲》及GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》得到不同材料的力學(xué)性能見表1。

表1 不同材料的力學(xué)性能

由表1可知：40CrNiMo的力學(xué)性能明顯優(yōu)于材料ML15及ML20，在使用過程中當(dāng)軸承受到?jīng)_擊或振動(dòng)時(shí)，避免了由鉚釘材料性能導(dǎo)致的鉚釘在鉚釘孔內(nèi)彎曲變形而造成鉚釘松動(dòng)或折斷等問題，使保持架的連接更牢固。

2.2 鉚接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

為防止保持架在使用過程中松動(dòng)，改善保持架工作狀態(tài)，對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后鉚接結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉚釘穿過保持架座和保持架蓋與螺帽通過螺紋連接，使保持架座和保持架蓋緊固連接，然后采用電加熱鉚釘?shù)姆椒ㄊ广T釘產(chǎn)生熱變形而與螺帽形成固定連接，整個(gè)連接形成了自鎖結(jié)構(gòu)。鉚釘和螺帽結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。需要說明的是，文中軸承設(shè)計(jì)方案的鉚釘頭凸出軸承端面不影響軸承安裝使用，在具體的應(yīng)用場合應(yīng)考慮鉚釘頭突出軸承端面時(shí)是否有足夠的安裝空間。

圖3 螺帽結(jié)構(gòu)圖

由圖2、圖3可知：鉚釘頭的直徑小于鉚體的直徑，兩者連接處形成臺(tái)階結(jié)構(gòu)，而螺帽內(nèi)孔一端設(shè)有與上述臺(tái)階結(jié)構(gòu)適應(yīng)的倒角，以便鉚釘與螺帽連接時(shí)能使保持架座和保持架蓋緊固連接；而螺帽上的弧面凹槽(也可做成平面)為螺帽在鉚釘上的旋緊起到防滑作用。連接后通過電加熱方式鉚接，使鉚釘頭與螺帽形成自鎖結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

改進(jìn)后的鉚釘結(jié)構(gòu)綜合了電加熱鉚接和沖壓鉚接的優(yōu)點(diǎn)，避免了熱鉚接時(shí)鉚接壓力小，易松動(dòng)等問題，同時(shí)也消除了冷沖壓鉚接過程中由于沖壓力不均等導(dǎo)致的微動(dòng)磨損帶來的鉚釘斷裂失效的隱患。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，在鉚接力較小的情況下，使保持架能夠穩(wěn)固連接，防止保持架在使用過程中松動(dòng)，改善了保持架的工作狀態(tài)，提高了軸承的使用壽命。