一種軸承塑鋼保持架斷裂問題分析

王文華，高純友，劉飛

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2.長春市軌道交通集團有限公司，長春 130000）

軸承塑鋼保持架因其耐磨損，沖擊韌性好，耐腐蝕等特點，逐步在軌道交通車輛上得以應用，地鐵、有軌電車等城市軌道交通車輛已采用國產化帶有塑鋼保持架的軸承裝車[1]。

某70%低地板有軌電車動力轉向架采用了帶有塑鋼保持架的雙列圓柱滾子軸承，在年檢拆解過程中發現該保持架沿兜孔拐角處向外延伸斷裂，檢查油脂狀態正常。在正常維護保養情況下該故障批量出現，現對故障原因進行分析，并提出解決方法。

1 故障描述

軸箱結構如圖1所示，雙列圓柱滾子軸承尺寸為φ100 mm×φ180 mm×60.3 mm，在車輛運行過程中主要承受徑向和軸向載荷。

圖1 軸箱結構Fig.1 Structure of axle box

軸承分解清洗后明顯可見保持架兜孔橫、縱梁拐角處出現向外延伸的斷裂區（圖2），除已發生碎裂的保持架無法觀察外，所有失效保持架斷裂狀態均與此相同。

圖2 保持架斷裂情況Fig.2 Fracture of cage

2 故障分析

2.1 材料成分分析

對斷裂保持架進行能譜分析，結果如圖3所示。由圖可知，保持架成分與 JB／T 7048—2011《滾動軸承 工程塑料保持架 技術條件》中尼龍66材料相符，滿足材料選型要求。

圖3 保持架能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of cage

2.2 斷口形貌

2.2.1 宏觀分析

保持架斷口宏觀形貌如圖4所示。由圖可知，斷口表面呈細小蜂窩狀，疑似在斷裂過程中玻璃纖維與基體分離時形成，并伴有局部擠壓和磨損。雖然保持架材料的致密度越低，力學性能越差[2]，但在其他車輛上使用致密度相近的產品時并沒有發生斷裂問題，所以致密度的影響可以排除。

圖4 保持架斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture of cage

2.2.2 微觀分析

對保持架斷口進行掃描電鏡檢查，結果如圖5、圖6所示。由圖可知：斷口及凹坑表面光滑，呈現明顯的熔融痕跡（圖5）；過梁上凹坑表面存在擠壓痕跡，在凹坑底部已形成裂紋（圖6），將造成二次剝落。由于掃描電鏡檢查本身也會造成尼龍局部熔融，同時，二次剝落與初始斷裂受力狀態有關，所以從微觀斷口形貌來看，保持架制造質量不存在明顯缺陷[3]。

圖5 斷口表面凹坑形貌Fig.5 Morphology of pit on surface of fracture

圖6 過梁內凹坑形貌Fig.6 Morphology of pit in beam

2.3 力學性能

按照JB／T 7048—2011要求（吸濕干燥后保持架徑向拉伸強度不小于52 MPa），使用萬能液壓試驗機分別對同材質的3件新制保持架（新）、已發生斷裂（舊）的保持架進行拉伸試驗，結果見表1。由表可知，新制保持架拉伸強度符合JB／T 7048—2011要求，舊保持架拉伸強度低于標準要求。

表1 新、舊保持架拉伸強度Tab.1 Tensile strengths for old and new cages MPa

2.4 結構

由于斷裂均發生在橫、縱梁過渡拐角處且向外延伸，所以對該區域進行局部放大，發現斷裂保持架在兜孔橫、縱梁根部為直角過渡（圖7）。

圖7 保持架橫、縱梁根部過渡結構Fig.7 Transition structure at root of horizontal and longitudinal beams of cage

直角過渡形式會在根部產生較大的應力集中，過渡圓角半徑和橫梁厚度之比（R／T）與應力集中系數[4]的關系如圖8所示。由圖可知，應力集中系數與該比值成反比，比值越趨近于0，應力集中系數越高，在循環載荷的作用下保持架更容易發生疲勞斷裂。

圖8 應力集中系數變化規律Fig.8 Variation rule of stress concentration factors

2.5 滾子及保持架尺寸

2.5.1 滾子尺寸

分別對5個保持架斷裂兜孔處的滾子尺寸進行檢測，結果見表2。由表可知，斷裂兜孔處的滾子尺寸符合設計要求。

表2 故障保持架滾子尺寸Tab.2 Roller size of fault cage mm

2.5.2 保持架尺寸

為了確認斷裂保持架是否存在尺寸異常而導致與滾子異常接觸，分別選取6件新、舊保持架，對其內、外徑進行檢測，結果見表3。由表可知，新、舊保持架與設計尺寸相比差異均不大，有個別超差情況，但偏差較小，是保持架去除注塑殘余應力后的正常變化，對保持架不會造成本質影響。

表3 保持架內、外徑尺寸Tab.3 Inner and outer diameters of cages mm

基于檢測結果，可排除保持架因異常變形或長期運行導致斷裂的可能。

2.6 保持架強度

采用ANSYS軟件對保持架進行仿真分析，結果如圖9所示。由圖可知，保持架單個兜孔在0.443 kN的周向載荷下才會產生破壞（圖9a），單個滾子與保持架產生超過0.67 kN的軸向載荷時，保持架會產生早期裂紋（圖9b）。

圖9 保持架兜孔應力分布Fig.9 Stress distribution of cage pocket

2.7 注塑孔對保持架強度的影響

注塑時基體材料在模具中產生的熔接點較少，但遠端若溫度降低，易產生熔接缺陷，影響保持架整體強度[5]。而該保持架注塑孔分布于每個橫梁內徑表面（圖10），因注塑流程較短，未及溫度降低已充分熔接，有效避免了熔接缺陷的產生。此外，通過對多套開裂保持架外觀檢驗，裂紋均發生于橫梁根部，未發現熔接點處出現開裂的痕跡，故保持架開裂與注塑孔數量無直接關系。

圖10 保持架注塑孔位置及分布Fig.11 Position and distribution of injection holes of cage

2.8 潤滑脂狀態

軸箱軸承的運營維護周期為一年，拆解軸承后發現油脂顏色呈棕黑色，油脂量足夠，黏度適中，沒有干燥跡象（圖11），可以排除潤滑脂的影響。

圖11 軸承潤滑脂狀態Fig.11 Grease state for bearing

2.9 小結

根據上述分析，可判斷該保持架斷裂的主要原因為橫、縱梁根部直角過渡導致應力集中過大，其在疲勞循環載荷下產生斷裂；同時，材質內部致密程度不佳，雖能滿足標準要求，但有待進一步提高。

3 改進方案

對塑鋼保持架局部結構進行改進，將橫、縱梁由直角過渡改為0.5 mm圓弧過渡（圖12）；同時改善材質內部致密度。抽取5件改進后的保持架進行力學性能檢測，結果見表4。由表可知，吸濕干燥后保持架的拉伸強度均明顯提高，將改進后的保持架裝車試驗，至今未發現有斷裂現象。

圖12 保持架橫、縱梁圓角過渡結構Fig.12 Transition structure of fillet at horizontal and longitudinal beams of cage

表4 改進后保持架的拉伸強度Tab.4 Tensile strengths of improved cage MPa

4 結束語

對某70%低地板車輛轉向架軸箱軸承用塑鋼保持架斷裂問題進行了研究，通過分析可知保持架斷裂是由兜孔橫、縱梁拐角處結構應力集中所致的。改進保持架局部結構后應力集中狀態得以緩解，同時，改善材料致密度有助于提高保持架強度。經力學性能檢測證明，保持架拉伸強度明顯提高，避免了斷裂發生。