動(dòng)車組塞拉門擺臂滾輪失效原因分析及改進(jìn)措施

摘要：擺臂滾輪在塞拉門的運(yùn)動(dòng)中起導(dǎo)向作用，其斷裂失效會(huì)導(dǎo)致車門運(yùn)動(dòng)卡滯甚至無法打開或關(guān)閉。鑒于此，針對(duì)動(dòng)車組塞拉門上的擺臂滾輪破損故障進(jìn)行調(diào)研，排查、分析滾動(dòng)軸承失效的根本原因，并針對(duì)性提出改進(jìn)措施，以確保塞拉門故障得到有效排除。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;塞拉門;故障分析;軸承

0 引言

塞拉門系統(tǒng)是軌道車輛的重要組成部分，門扇下導(dǎo)軌與安裝在車體上的擺臂組件滾輪配合，保證了門扇下部塞拉運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。動(dòng)車組塞拉門運(yùn)用過程中頻繁發(fā)生因擺臂滾輪失效而引起的車門運(yùn)動(dòng)卡滯故障，因此提高擺臂滾輪的可靠性對(duì)塞拉門的運(yùn)用有重要意義。本文以一起典型動(dòng)車組塞拉門滾輪破損故障為案例，分析滾輪失效的原因并提出改進(jìn)措施。

1 問題描述

擺臂組件安裝在車體下部，其與門扇下導(dǎo)軌配合的方式如圖1所示，其中擺臂體水平安裝，導(dǎo)軌體豎直安裝，安裝后1#滾輪和2#滾輪在下導(dǎo)軌外側(cè)表面滾動(dòng)，3#滾輪在下導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)滾動(dòng)。

車門下部運(yùn)動(dòng)卡滯，將下擺臂拆除后發(fā)現(xiàn)其中一處滾輪破裂，對(duì)故障件進(jìn)行外觀檢查，發(fā)生破損的為3#滾輪，如圖2所示，可見滾輪軸承外圈斷裂。

經(jīng)調(diào)查，截至故障發(fā)生時(shí)間，故障件使用時(shí)間未超過17個(gè)月，遠(yuǎn)未達(dá)到滾輪的預(yù)期使用壽命（12年）。對(duì)圖2中滾輪斷口A處進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)了典型應(yīng)力裂紋，如圖3所示。

2 故障件失效原因分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《滾動(dòng)軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因》（GB/T 24611—2020）[1]中的描述，可定義故障件失效形式為斷裂。標(biāo)準(zhǔn)列舉了失效特征為“貫穿裂紋、斷裂”時(shí)的可能原因，如表1所示。

下面對(duì)表1中所列的可能原因逐一進(jìn)行排查。

2.1? ? 設(shè)計(jì)選型分析

常規(guī)向心滾動(dòng)軸承的承載能力由徑向基本額定動(dòng)載荷Cr和徑向基本額定靜載荷Cor決定[2]。塞拉門滾輪軸承的設(shè)計(jì)選型要求為：基本額定動(dòng)載荷Cr=5.0 kN，基本額定靜載荷Cor=2.7 kN。滾輪主要受力發(fā)生在車門直線運(yùn)動(dòng)段，此時(shí)1#和2#滾輪提供門扇下部的支撐力，3#滾輪理論上不受力，門扇受力狀態(tài)示意圖如圖4所示。

下面對(duì)滾輪軸承所受靜載荷以及壽命進(jìn)行校核。

2.1.1? ? 靜載荷分析

車門打開狀態(tài)時(shí)，門扇與攜門架連接，一并安裝在長(zhǎng)導(dǎo)柱上，并且可繞長(zhǎng)導(dǎo)柱旋轉(zhuǎn)，假設(shè)此時(shí)僅擺臂組件上的一處滾輪與門扇接觸并提供支撐力，參考圖4中受力狀態(tài)，此時(shí)滾輪承受的理論最大徑向載荷Fr與門扇所受重力G之間存在關(guān)系：

結(jié)論：由計(jì)算結(jié)果可知，軸承運(yùn)動(dòng)壽命L10遠(yuǎn)大于門系統(tǒng)使用需求。

根據(jù)以上分析可知，滾輪軸承的選型參數(shù)滿足使用工況，且有足夠的安全冗余。

2.2? ? 工作條件分析

由上文分析可知，車門正常工作時(shí)滾輪承受的載荷遠(yuǎn)小于基本額定載荷，并且此時(shí)車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，滾輪不存在振動(dòng)工況;當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，車門鎖閉，門扇被輔助鎖壓緊，此時(shí)擺臂組件不承受載荷。因此，故障原因與滾輪軸承工作條件無關(guān)。

2.3? ? 零件尺寸精度檢測(cè)

滾輪外形尺寸設(shè)計(jì)要求如圖5所示，對(duì)軸承輪外圈關(guān)鍵尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)，結(jié)果如表2所示，可以看出滾輪尺寸精度符合要求。

2.4? ? 零件材質(zhì)檢測(cè)

滾輪軸承要求外圈材質(zhì)為GCr15軸承鋼，表面硬度達(dá)到HRC58～64。

對(duì)斷裂的軸承外圈進(jìn)行材質(zhì)成分檢測(cè)，結(jié)果符合《高碳鉻軸承鋼》（GB/T 18254—2016）[3]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)GCr15材質(zhì)的要求。

依據(jù)《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件 熱處理技術(shù)條件》（JB/T 1255—2001）[4]對(duì)軸承外圈斷口處金相組織和硬度進(jìn)行檢測(cè)：金相組織為2～3級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1～4級(jí)的要求，如圖6所示;檢測(cè)硬度為HRC61.4，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HRC60～65的要求。

2.5? ? 安裝狀態(tài)分析

觀察故障件，可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)滾輪磨損痕跡的位置存在明顯不同，1#滾輪和2#滾輪的磨損痕跡靠近滾輪下部，3#滾輪的磨損痕跡靠近滾輪上部，如圖7所示。通過滾輪磨損痕跡分析，擺臂體安裝后與下導(dǎo)軌存在一定的傾斜夾角。

當(dāng)擺臂體相對(duì)理論安裝位置產(chǎn)生傾斜時(shí)，滾輪與下導(dǎo)軌之間的間隙消失，且會(huì)存在安裝應(yīng)力，滾輪所受的載荷也會(huì)從外圈的中間位置變?yōu)樯稀⑾逻吘壩恢?，如圖8所示。

滾輪外圈的邊緣缺少支撐，屬于滾輪最薄弱的區(qū)域，如圖9所示，因此當(dāng)受到非正常安裝帶來的偏載時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，最終導(dǎo)致滾輪失效。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，若要避免滾輪因非正常的安裝狀態(tài)而導(dǎo)致提前失效，需要在擺臂組件安裝時(shí)增加擺臂體保持水平的調(diào)整要求。在實(shí)際安裝調(diào)整以及運(yùn)用檢修過程中，可以通過觀察滾輪上的痕跡來判斷擺臂安裝位置是否合適，如圖10所示，擺臂組件上3個(gè)滾輪的痕跡應(yīng)都保持在滾輪外圈中部位置。

4 結(jié)語

結(jié)合對(duì)故障件的檢測(cè)分析可知，本次故障是非正常的安裝狀態(tài)造成擺臂滾輪失效而導(dǎo)致的車門卡滯，即擺臂安裝后傾斜。根據(jù)故障成因提出安裝后檢查擺臂體水平的改進(jìn)措施，并體現(xiàn)在安裝調(diào)試及維護(hù)檢修作業(yè)指導(dǎo)文件中，可有效提高塞拉門運(yùn)用的可靠性。本文針對(duì)動(dòng)車組塞拉門擺臂滾輪失效故障進(jìn)行了原因分析，并提出了改進(jìn)措施，對(duì)鐵路交通設(shè)備的運(yùn)用檢修具有重要借鑒意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 滾動(dòng)軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因：GB/T 24611—2020[S].

[2] 劉建志，黃振，祁百龍.滾輪軸承的載荷參數(shù)及其計(jì)算方法[J].軸承，2017（6）：1-8.

[3] 高碳鉻軸承鋼：GB/T 18254—2016[S].

[4] 高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件 熱處理技術(shù)條件：JB/T 1255—2001[S].

收稿日期：2021-07-26

作者簡(jiǎn)介：毛鵬（1994—），男，江蘇宿遷人，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。