市域车辆转向架齿轮箱轴承压板定位销断裂漏油故障分析

刘晓金

（广东城际铁路运营有限公司，广东广州 511458）

0 引言

转向架是承担地铁列车车体及车辆沿轨道走行的支撑装置，是地铁车辆的核心部件之一，其主要作用为支撑车体，传递载荷。齿轮箱是地铁列车转向架中的关键部件，其工作性能直接影响到地铁运行的可靠性、平稳性和安全性[1]，齿轮箱常见的问题是齿轮箱漏油。齿轮箱的密封采用接触密封和非接触密封两种方式，齿轮箱的漏油故障中大多为密封失效导致漏油。广州地铁18号线列车齿轮箱的密封采用接触密封和非接触密封两种方式，整个齿轮箱内，轴承盖—轴承座、轴承座—箱体之间的接触密封均采用橡胶O形圈密封；上下箱体分箱面处以及其他各处的接触密封均采用密封胶的方式密封。对于齿轮箱主动齿轮轴和车轴等贯通部位的密封，采用非接触式密封[2]。齿轮、轴承润滑采用飞溅润滑方式，并使用相同的润滑油。齿轮箱具有合适的隔板、油槽和通道，以保证在各种速度、负荷、温度和气候条件下，所有的轴承和齿轮都有足够的润滑。电机小齿轮小轴承压板定位销断裂，轴承压板发生周向转动，挡住回油孔，致使回油不畅导致的漏油是一种不常见的齿轮箱漏油形式。

1 问题描述

广州地铁18号线开通初期发生一起电机侧小齿轮端盖漏油的故障，初次发现齿轮箱漏油现象后，检查油位低于下刻度线，组织加油并更换垫圈后跟踪运营，次日晚复查发现油位再次低于下刻度线，随即组织线上动车试验，发现漏油点在电机侧小齿轮端盖处。

经拆解齿轮箱发现，电机小齿轮小轴承压板定位销断裂，轴承压板发生周向转动，挡住回油孔，导致齿轮箱漏油。该处的结构如图1所示，小轴承由轴承内圈和轴承外圈组成，轴承内圈过盈安装在小齿轮轴上，轴承外圈过盈安装在小轴承座上；小轴承压板间隙安装在轴承座内，小密封圈过盈安装在小齿轮轴上，小密封端盖、小轴承座通过螺栓固定在齿轮箱上。

图1 小齿轮端结构

小轴承压板通过与轴承座形成润滑油腔，对球轴承进行润滑，使通过回油孔进入箱体内部的润滑油回到箱体外部，起到密封的作用。定位销的主要作用是防止小轴承压板安装错误挡住回油孔，同时防止小轴承压板转动，如图2所示。

图2 定位销作用

2 问题分析

为分析轴承压板定位销断裂的原因，下文从定位销的强度分析、失效分析、安装工艺等方面进行探讨。

2.1 轴承压板定位销强度分析

如图3所示，小轴承压板销孔直径为φ6.5（-0.05～+0.1）mm，定位销开槽部位直径为φ6.3±0.05 mm，小轴承压板与定位销的单边间隙值为0.05～0.175 mm。

图3 小轴承压板尺寸链分析

小轴承压板外径为φ170（-0.06～0）mm，小轴承座内径为φ170（0～+0.04）mm，小轴承压板与小轴承座单边间隙为0～0.05 mm。

综上，小轴承压板与小轴承座的间隙小于小轴承压板与定位销的间隙，小轴承压板受到冲击振动时小轴承压板外圆与轴承座先接触，承受冲击力。

小轴承压板非中心对称，质心偏离几何中心约1.9 mm，在小轴承压板振动时，偏心会使小轴承压板有旋转的趋势，使得定位销产生额外的负载。根据受力分析，质心的偏移对定位销产生的载荷约为0.4 N，对定位销产生的影响极小，但会导致小轴承压板存在周向转动趋势。在转动趋势的影响下，小轴承压板销孔与定位销接触，在振动的作用下轴承压板外径与轴承座内孔之间存在另一接触点，对轴承压板进行约束，轴承压板受力才能平衡，如图4所示。这种状态下，定位销承受轴承压板的部分振动冲击。

图4 轴承压板接触状态

对定位销强度进行仿真计算，疲劳振动工况下定位销的应力分布如图5所示。

图5 定位销应力云图

计算结果表明，在疲劳振动工况下，定位销的最大局部剪应力为45.88 MPa，小于材料的剪切疲劳强度203 MPa，因此定位销的疲劳强度能满足要求。

2.2 轴承压板定位销失效分析

2.2.1 金相组织、硬度化学成分检查

对定位销进行金相组织、硬度化学成分检查，结果表明，定位销金相组织为奥氏体，晶粒度为8.5级，本体硬度为220HV1，成分为304不锈钢材质。

2.2.2 宏观外貌检查

如图6所示，销孔内残余的定位销断口形貌保存较为完好，对其进行进一步解剖发现，断面整体平滑、弧线清晰，呈典型的疲劳断裂，根据弧线收敛方向可判断疲劳源位于图中虚线处，包括疲劳源1和疲劳源2两处，其产生位置及扩展方向与圆周方向约成30°夹角，且疲劳源1为主裂源，扩展更为充分。此外，断面未见明显瞬断区特征，说明断裂处名义应力很小。值得注意的是，左图与定位销圆弧面对应的销孔表面可见明显的变形情况，且与疲劳源1对应的位置处变形区域最大。

图6 断口宏观形貌

2.2.3 电镜形貌检查

将断口采用无水乙醇超声清洗后进行电镜形貌观察和能谱分析：

1）瞬断区占比仅约1%，表明断裂处名义应力极小，这与宏观判断一致；

2）疲劳源处沟线清晰，为多源疲劳断裂特征，源区位于定位销圆弧面表面，未见夹杂、夹渣等冶金缺陷；

3）扩展区疲劳条带清晰，瞬断区呈韧窝形貌；

4）断口边缘磨损严重（包括源区），形貌无法观察；

5）面扫描分析结果显示源区未见异常元素残留。

进一步对上述销孔和断销表面进行电镜形貌观察和能谱分析，疲劳源1侧销孔局部被“啃掉”部位基体已转移至销子表面，而与疲劳源对应的销孔边缘平滑、未见异常。疲劳源1对应的销子表面可见轴向“拉毛”现象，局部出现显微裂纹。疲劳源2侧同样沿轴向粘着现象明显，销孔基体转移至销子表面。

根据上述检查结果可知，该定位销的失效模式为低应力高周疲劳断裂，两处疲劳源均位于销子圆弧表面，源区未见冶金缺陷和明显机械损伤，但可见轴向擦伤痕迹。断销与销孔内壁发生明显的粘着咬合现象，四等分后仍然难以取出，且与主疲劳源对应的销孔边缘存在较大范围的应变区，销孔下端局部粘着现象严重。

2.3 轴承压板定位销安装工艺分析

齿轮箱小轴承压板定位销安装工艺过程如下：

1）轴承外圈与定位销安装：

将电机侧圆柱轴承外圈安装至轴承座（电机侧），用镦套镦紧；将轴承压板对准销孔后放入轴承座，定位销6×18有倒角一头放入销孔，通过安装工具敲入小轴承座（电机侧）销孔中，如图7所示。

图7 定位销安装示意图

2）小齿轮组件安装：

将小齿轮组件装入上箱体，使用螺栓和防松垫圈将小齿轮组件固定在齿轮箱上。安装小轴承压板（电机侧）：旋转小轴承压板（电机侧）使销孔对准槽销，轻敲直至落入小轴承座（电机侧）底部，加热小密封圈，将其热套至小齿轮轴上，用镦套镦紧，安装小密封端盖（电机侧）。

在将定位销敲入小轴承座销孔的过程中，虽然利用了轴承压板销孔作为定位销的安装导向孔，但仍存在定位销敲击后歪斜的可能性。

综上分析，可以得出定位销断裂的原因是：定位销在安装过程中发生歪斜，导致销与销孔内壁产生初始擦伤。随着定位销进一步敲入，擦伤加剧，在孔内产生粘连，粘连后需使用更大的敲击力方可将其敲入。在施加更大的敲击力后，定位销在销孔孔口部位初始应力较大，叠加车辆运动过程中的振动冲击载荷，造成低应力高周疲劳断裂。

3 结论

本文主要分析了齿轮箱轴承压板定位销断裂的原因，得出齿轮箱轴承压板定位销安装过程中可能存在不满足工艺要求的情况，导致定位销在销孔孔口部位初始应力较大，叠加列车运动过程中反复的冲击载荷，造成疲劳断裂。