方芳，高武正，曾獻智，劉旗，李威

(1.中浙高鐵軸承有限公司，浙江 衢州 324400；2.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039)

目前，我國高鐵、城市軌道交通建設(shè)發(fā)展較快，已成為全球最大的軌道交通市場，但我國軌道車輛軸承的技術(shù)水平與國際先進水平還有一定的差距[1]，尤其是高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承目前全部依靠進口。因此，掌握高鐵軸箱軸承加工技術(shù)，加速國產(chǎn)化已迫在眉睫。

1 密封結(jié)構(gòu)及失效形式

軸箱軸承密封是保障高鐵安全運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其作用是防止?jié)櫥瑒┩鉂B，并防止因灰塵及水等異物的侵入而導致潤滑作用喪失。一種高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承輕接觸式迷宮密封如圖1所示，其密封性能良好,摩擦力矩低，能保證高鐵軸箱軸承的使用壽命。但在軸箱軸承生產(chǎn)加工過程中，密封的壓裝工藝得不到足夠重視。據(jù)統(tǒng)計，軸箱軸承密封罩脫出是鐵路車輛運行過程易發(fā)生的故障之一[2-4]，會給鐵路安全造成嚴重的后果，因此，必須重視軸箱軸承密封的壓裝。

圖1 高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承輕接觸式迷宮密封

這種輕接觸式迷宮密封在運行過程中最常見的失效形式有：1)密封罩松動，甚至脫落；2)迷宮密封間隙過大導致潤滑脂泄漏或外部水、塵土進入；3)迷宮密封接觸過盈量較大引起過熱。

2 密封失效原因分析

該密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成密封失效的因素主要有：密封罩及與其對應(yīng)的外圈牙口、后擋圈的制造精度,密封的壓裝方式等。

2.1 橡膠密封唇、密封罩和外圈牙口制造精度

橡膠密封唇制造精度若達不到設(shè)計圖紙的要求，將會導致以下結(jié)果：1)密封的輕接觸區(qū)域(圖2)過盈變大，從而加劇軸承在高速運轉(zhuǎn)時密封橡膠磨損及過熱；2)密封輕接觸區(qū)域無過盈量，造成軸承潤滑脂泄漏或外部的水、塵土等介質(zhì)進入。

圖2 密封的輕接觸區(qū)

密封罩與外圈牙口采用過盈配合，過盈量過小，會導致密封罩在受到高頻振動時脫出；過盈量過大，會導致密封罩在壓裝時產(chǎn)生嚴重的塑性變形，造成密封接觸過盈增大。每種軸箱軸承密封都有一個最佳過盈量。密封罩與外圈牙口尺寸及形狀不符合要求，會導致密封罩與外圈牙口配合過盈量超差。

2.2 密封罩骨架凸臺與外圈牙口槽的配合

為進一步防止密封在運行中受到高頻振動而松動脫出，在密封罩外徑面設(shè)置1個防止脫落的凸臺(圖1)，凸臺在完成密封壓裝時正好落入外圈牙口溝槽，形成自鎖功能。如果凸臺與牙口槽配合不到位，或凸臺在壓裝過程中被剪切掉，均會導致密封罩在使用過程中脫出。另外，如果密封罩過壓，會造成凸臺端面與牙口溝槽底部干涉，可能造成密封罩變形，也會發(fā)生脫出。

2.3 外圈牙口與密封罩凸臺的倒角尖棱

圖3中的4個圓圈指示出外圈牙口和密封罩凸臺倒角，如果過于尖銳，將導致密封凸臺在壓裝過程被剪切掉，最終導致密封罩在運行中脫出。

圖3 外圈牙口與密封罩凸臺引導結(jié)構(gòu)

2.4 壓裝時外圈牙口殘留潤滑脂

密封罩壓裝前需要在軸承中間和兩端注入一定量的潤滑脂。當密封壓裝時，如果外圈牙口殘留潤滑脂，將會減小密封罩與外圈的摩擦力，導致密封罩在運行過程中脫出。

2.5 密封罩壓裝速度

當密封壓裝速度超過某個極限時，會造成密封罩凸臺在壓裝過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于材料自身的剪切強度，導致密封凸臺被剪切掉，進而發(fā)生密封罩脫出。

2.6 壓裝模具

壓裝過程中壓裝模具具有密封件壓入時的導向作用以及壓裝密封罩深度的定位作用。導向不穩(wěn)會導致密封壓入時偏載，甚至導致壓裝不到位，定位失效會導致密封罩端面與溝槽接觸，均會造成密封罩變形。

2.7 密封后擋圈裝配

迷宮密封主要由密封后擋圈與橡膠密封唇組成，如果密封后擋圈裝入時偏心過大，會造成橡膠密封唇部分折疊，導致密封在使用過程中發(fā)熱而失效。

3 解決措施

根據(jù)密封失效原因分析可知，密封罩本身的制造精度會產(chǎn)生一定影響，但更重要的是對壓裝工藝過程的精細化控制。

3.1 控制密封罩和外圈牙口制造精度

密封壓裝前，需嚴格檢查密封罩的加工精度和外圈牙口的加工精度。

1)嚴格控制密封罩外徑尺寸偏差。密封罩尺寸決定了密封與外圈牙口的最佳過盈量，密封接口尺寸偏差決定了密封罩與牙口的最小過盈量和最大過盈量。經(jīng)研究,密封罩尺寸偏差最好控制在0.1 mm以內(nèi)，連同控制外圈牙口直徑尺寸偏差,可將密封與外圈的過盈量控制在0.15 mm以內(nèi)，從而保證整批密封罩在壓裝中不會產(chǎn)生塑性變形且壓裝后具有足夠的過盈量，以保證密封罩在實際使用中的高可靠性。密封罩在沖壓后采用特殊的薄膜夾具，通過精車加工即可達到要求。

2)嚴格控制密封罩凸臺高度和寬度的基本尺寸及尺寸偏差。凸臺高度影響壓裝后密封罩的自鎖性能，太高會導致壓裝時被剪切掉，因此凸臺高度的基本尺寸與尺寸偏差決定批量的穩(wěn)定性；凸臺的寬度影響自鎖性能，太寬會導致壓裝后與牙口溝槽底部干涉，造成密封罩變形，影響批量的穩(wěn)定性。

3)嚴格控制外圈牙口的尺寸和尺寸偏差。對高鐵軸箱軸承，一般可通過磨削的方法控制牙口直徑及偏差，尺寸偏差一般可以控制在0.04 mm以內(nèi)。

4)嚴格控制外圈牙口溝槽的深度和寬度。牙口溝槽深度和寬度決定了密封罩的自鎖性能及是否與密封罩干涉。通過磨削過程中附加硬車牙口槽工序，即可保證尺寸和精度的一致性。

5)圖3中的4處倒角需在精車過程進行倒鈍，如果在磨削后發(fā)現(xiàn)尖棱,需進行砂紙打磨處理。

3.2 壓裝過程工藝控制

在密封壓裝時，需對以下幾個方面進行工藝控制：

1)嚴格控制壓裝速度。工藝研究表明，壓裝速度越大，凸臺被壓入時所受的應(yīng)力越大，超過凸臺所承受的極限時，凸臺會被剪切掉。所以需對不同型號的軸承進行工藝試驗，固化壓裝速度并嚴格執(zhí)行。

2)嚴格控制壓裝力。壓裝力過大會造成密封罩在壓裝過程產(chǎn)生塑性變形，甚至外圈變形。

3)嚴格控制壓裝模具的加工精度。壓裝模具引導密封罩的壓裝，防止密封罩受到偏載影響?？刂泼芊庹值膲貉b深度，防止密封罩與牙口溝槽底部干涉。高鐵密封壓裝示意圖如圖4所示，圖中模具φA尺寸可以與外圈外徑配合，引導密封件按規(guī)定路徑壓裝；模具頂部球面可防止密封罩受壓偏載；模具凹槽深度(ΔB)可控制密封壓裝深度，防止密封罩變形。

圖4 壓裝示意圖

4)壓裝時需確認外圈牙口未殘留潤滑脂。

5)通過壓力機的壓力傳感器檢測密封罩骨架凸臺是否被剪切掉。如凸臺被剪切掉，壓力機的壓力曲線會發(fā)生突變，因此可以通過壓力曲線判斷密封壓裝是否正常。

3.3 壓裝后檢查

密封壓裝完成后，需對密封罩進行檢查，確保每套高鐵軸承的密封性能：

1)目測壓裝后的密封罩是否有毛刺或變形。

2)檢查密封罩的壓裝深度，即密封罩端面與外圈端面的距離，可通過深度樣板檢測圓周3～4處，確認密封是否壓裝到位以及是否變形。

3)采用專用的扭矩測試技術(shù)檢查壓裝后密封罩與外圈的結(jié)合強度，如《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》規(guī)定鐵路貨車軸承密封罩壓裝后須進行不小于122.5 N·m的扭力矩測試[5]，高鐵軸承可根據(jù)路況進一步提高扭力矩的要求。

4)對于圖1中的輕接觸式密封，后擋圈安裝完成后一定要檢查其旋轉(zhuǎn)靈活性，防止安裝時橡膠密封唇口折疊。檢查后采用軟質(zhì)帶或者防護罩固定，防止后擋圈脫落導致二次折疊橡膠密封唇口。

4 結(jié)束語

高鐵轉(zhuǎn)向架軸箱軸承密封性能的可靠性對高鐵安全運行起著至關(guān)重要的作用。需要嚴格控制密封罩、外圈牙口等制造精度以及密封罩的壓裝過程，才能保證高鐵軸箱軸承的密封性能，從而保障高鐵車輛的安全運行。