高速圓柱滾子軸承保持架斷裂原因分析

姜維，裴玉楠，葛世東，于曉凱

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.北京控制工程研究所，北京 100190)

隨著鐵路運輸高速化的發展，滾動軸承因其摩擦因數小、軸向尺寸小、安裝方便等優點，逐漸取代了滑動軸承，但滾動軸承的滾動體與滾道之間的接觸是點接觸或線接觸，在一般載荷下便會產生較高的接觸疲勞應力。鐵路客車中高速電動機軸承承受的載荷較大，速度較高，潤滑方式為脂潤滑，并且沖擊載荷較大，軸承易發生疲勞剝落、斷裂或燒結，為客車中最脆弱的零件之一[1]。其中，軸承保持架如果設計不合理，離心力會導致其疲勞失效，甚至造成災難性的后果[2]。

為此，下文針對某型號客車高速電動機圓柱滾子軸承保持架出現疲勞斷裂的現象，分析保持架工作應力特性和共振頻率，并通過試驗驗證導致保持架斷裂的原因。

1 保持架工作應力分析

某型號客車上電動機轉速為3 000 r/min，兩端支承軸承均為滾動軸承，其中一端為NU210圓柱滾子軸承，保持架為實體保持架，材料為黃銅H62,采用滾子引導。在客車運行2×105km后，拆機發現電動機90%以上的圓柱滾子軸承保持架出現斷裂，如圖1所示。

圖1 斷裂保持架

根據保持架的運動和受力情況分析，保持架理論上是一個繞軸承軸線做定軸轉動的非受力零件，將其視為一個受復雜力系作用的剛體，保持架在工作過程中主要承受以下作用力：滾子對保持架的碰撞力和摩擦力,引導套圈對保持架的法向力和摩擦力,保持架質量不平衡力,重力,離心力。

其中，可能對保持架斷裂產生實質性影響的作用力是保持架的共振、滾子對保持架的碰撞力以及保持架離心力。

1.1 共振

NU210圓柱滾子軸承的相關參數為：內圈轉速ni=3 000 r/min，滾子直徑Dw=7 mm，外徑D=90 mm,內徑d=50 mm,平均直徑dm=70 mm。因為軸承內圈旋轉，外圈固定，保持架的轉速為

(1)

代入參數可得nR=1 350 r/min，運轉頻率f=141.3 Hz。

利用ABAQUS對保持架進行模態分析，計算其各階固有頻率，與運轉頻率的對比結果見表1。由表可知，保持架各階固有頻率遠大于運轉頻率，故保持架的共振不是引起其斷裂的原因。

表1 保持架固有頻率和運轉頻率

1.2 滾子對保持架的碰撞力

軸承在正常勻速工作時碰撞力很小，只有在急加速或急減速時碰撞力較大。經過分析，NU210軸承滾子作用在保持架單個窗口上最大碰撞力為400 N。在保持架窗口上施加400 N作用碰撞力，保持架的應力分布如圖2所示。由圖可知，最大應力在軸承過梁處，為35.8 MPa，且保持架側壁倒角處應力為8.8 MPa，因此滾子對保持架的碰撞力不是造成過梁圓弧過渡處產生疲勞斷裂的主要原因。

圖2 碰撞力下保持架的應力分布圖

1.3 離心力

由于保持架旋轉引起的離心力對保持架的作用是沿圓周方向的拉伸應力，在同樣的轉速下，其大小和性質都不隨時間變化。因為該電動機轉速變化不明顯，因此保持架受離心力的作用可按擬靜應力學進行處理。由于保持架具有兜孔等特殊結構，沿圓周質量分布不均勻，在離心力作用下，保持架上各點徑向位移不等。當轉速為3 000 r/min時NU210軸承保持架在離心力作用下的應力分布圖如圖3所示。由圖可知，最大應力在側梁圓弧過渡處，最大值σ=62.8 MPa，保持架材料的疲勞極限σN=120 MPa>σ，故離心力不是引起保持架疲勞斷裂的主要原因。

圖3 離心力作用下保持架的應力分布

1.4 離心力和滾子碰撞力對保持架的綜合作用

軸承在實際運轉過程中，保持架受到離心力和滾子周期碰撞力的共同作用，從而使其應力處于不斷變化中。

保持架最大應力位于側壁倒圓處，每個兜孔側壁倒圓處的應力呈周期性變化。用ABAQUS進行有限元分析，單個兜孔在離心力和最大碰撞力作用下時，其側壁倒圓處的應力σrN=72 MPa；當兜孔運轉到一定位置時，其只承受離心力的作用，此時該兜孔側壁倒圓處的應力為62.8 MPa。因此，保持架兜孔的最大應力為72 MPa，最小應力為62.8 MPa。

構件產生疲勞斷裂主要取決于構件的抗疲勞強度，抗疲勞強度主要取決于構件的材料、結構及受力狀態。當材料、結構確定后，主要取決于構件的受力狀態。當零件承受交變應力，且應力變化次數遠遠大于103時，應主要考慮零件的疲勞壽命。保持架的疲勞運轉次數為

式中：N0為持久疲勞極限所對應的循環次數，一般為106～107，取106；σrN為零件所受的最大應力，MPa；m為材料常數，取9。

軸承轉速為n=3 000 r/min，列車運行速度為V=150 km/h，保持架運轉9.9×107次時列車運行距離為

即軸承運行1.8×105km時發生疲勞破壞。因此，保持架斷裂的主要原因是：離心力導致保持架側壁倒圓角處產生應力集中，滾子對保持架兜孔的碰撞力使側壁倒圓角處產生交變應力，在其作用下軸承運轉一定的時間后保持架產生裂紋，裂紋擴展進而使其斷裂。

2 試驗驗證

當該批保持架運轉2×105km時均出現裂紋，而非偶然性因素如加工缺陷、未按圖紙加工等引起的故障。為了驗證理論分析的正確性，另外拆解其他10臺運轉2×105km的電動機，用熒光進行探傷檢驗，結果如圖4所示。由圖可知， 在保持架側壁倒圓處均發亮，說明該位置均已產生裂紋，與分析結果完全一致。

圖4 熒光探傷保持架分解圖

經過以上分析可知，應在保持架設計時考慮軸承離心力和碰撞力的綜合作用，將保持架結構改進為鉚接式可避免在側壁倒圓處出現應力集中的現象。

3 結論

經過試驗證明，導致某高速電動機用圓柱滾子軸承保持架斷裂的主要原因為保持架結構設計不合理，使其在離心力作用下產生應力集中，運轉一定時間后其側壁倒圓處萌生裂紋，裂紋擴展，最終導致保持架斷裂。