內置軸箱式轉向架軸箱軸承定位擋圈失效分析

李國棟,王文華,薛文根,崔冬杰

(中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

1 概述

軌道車輛轉向架是支承車體、傳遞牽引及制動力的重要零部件，通常由輪對軸箱裝置、第1系懸掛減振裝置、構架裝置、第2系懸掛減振裝置、牽引及基礎制動裝置組成。軸箱在車輪外側裝配時稱為外置軸箱轉向架結構，由于外側空間受限或其他設備影響，需將軸箱設計到車輪內側，該結構稱為內置軸箱輪對結構，如圖1所示。

圖1 內置軸箱懸掛的輪對結構圖

內置軸箱結構由內側擋圈、軸承、外側擋圈、車輪部分組成，如圖2所示，通過軸承內側定位擋圈與車軸擋肩軸向壓緊，實現整個系統軸向定位。軸箱軸承為雙列圓錐滾子軸承，主要結構參數為：內徑140 mm，外徑220 mm，寬150 mm。在裝配完成后，貼合面A，B均存在較大的軸向壓緊力，但實際運行過程中，特別是在車輛超載工況下，內側定位擋圈會出現松動，并在貼合面A處出現嚴重磨損，甚至使車軸擋肩磨耗成階梯狀(圖3)，從而使軸承失去軸向定位作用。故有必要對軸箱軸承定位擋圈失效原因進行分析。

圖2 軸箱軸承裝配后結構示意圖

圖3 內側定位擋圈與車輪擋肩磨損圖

2 定位擋圈失效原因分析

2.1 輪對結構分析

在車輛運行過程中,內置軸箱輪對結構的受力如圖4所示，內置軸箱承受來自車體與轉向架構架的徑向載荷，經軸承作用于車軸軸承座。車輪踏面受到軌道豎直向上的徑向約束，可視為經彈性車輪作用于車軸的輪座。作用于軸承座的載荷與輪座的約束之間會形成力矩，在以左右兩側車輪為支承點形成方向相反的力矩作用下，車軸會向下微微彎曲，導致貼合面A，B的軸向壓力卸荷，甚至為0，貼合面之間的壓力循環變化也會導致貼合面的微動磨損。當磨損到一定程度時，定位擋圈與車軸擋肩之間的軸向壓緊力會完全卸荷，從而導致擋圈松動，車軸磨損加劇 。

圖4 內置軸箱輪對受力示意圖

2.2 內側定位擋圈與車軸配合分析

軸承內側定位擋圈與車軸的配合關系如圖5所示，擋圈與車軸為間隙配合，定位擋圈通過壓緊力軸向定位，徑向和周向因間隙配合沒有定位，當軸向壓緊力卸荷時，定位擋圈在徑向會發生劇烈振動，造成車軸接觸區磨損。

圖5 內側定位擋圈與車軸配合示意圖

2.3 仿真分析

車軸材料為EA4T(EN13261)，擋圈材料為C40(EN10083)，彈性模量均為206 GPa，泊松比均為0.3。

軸承定位擋圈的徑向壓緊力為壓裝軸承時的外載荷減去因其自身與車軸過盈產生的阻力，外載荷一般設定為400 kN，保壓5 s后卸載。而軸承過盈配合產生的阻力一般要求不小于120 kN。當軸承與車軸過盈配合取最小阻力時，軸承擋圈端面壓緊力取最大值280 kN。模擬實際運行工況，內側定位擋圈等效應力分布如圖6所示，由圖可以看出：內側定位擋圈大部分區域在實際運行工況下已卸載，與車軸擋肩的壓緊力為零，擋圈的局部等效應力最大值僅為11.12 MPa，表明相鄰零件對定位擋圈的約束很小，擋圈存在松動的可能性。

當輪對旋轉一周時，貼合面A與軸肩接觸面在接觸區和非接觸區交替變化，長時間微動會導致車軸磨損和定位擋圈失效。

3 改進措施

設計定位擋圈與車軸為過盈配合結構，以保證在擋圈端面卸荷后不發生徑向磨損，改進后結構如圖7所示。模擬實際運行工況，內側定位擋圈等效應力云圖如圖8所示。由圖可知：局部等效應力最大值為35.57 MPa，是原結構的3倍，且定位擋圈大部分區域均存在壓緊力，改進后的結構相鄰零件對擋圈約束更強。

圖7 內側定位擋圈與車軸過盈配合示意圖

圖8 改進后內側定位擋圈等效應力云圖

同時，軸承內側定位擋圈增加了凸緣結構，該凸緣與車軸擋肩過盈配合，如圖9所示。

圖9 內側定位擋圈凸緣結構

4 結束語

分析了某內置軸箱式轉向架軸箱軸承內側定位擋圈發生松動的原因，并提出相應的改進措施。將改進后的內側定位擋圈裝車使用后，定位擋圈未出現松動現象，說明改進后的結構滿足使用要求。