牵引电动机用圆柱滚子轴承保持架铆接改进

杨明奇，柴灵芝 ，奚强，高武正

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

机车牵引电动机是机车传动系统的驱动装置，驱动端轴承是牵引电动机的重要部件，轴承故障将直接影响机车的行车安全。驱动端轴承通常选用圆柱滚子轴承，由于工作中受到轴向冲击和振动等影响，其保持架通常选用实体保持架，其中铆接式组合保持架因加工工艺的便捷性被广泛应用，但其铆接质量直接影响轴承的使用性能及寿命[1-2]。

机车牵引电动机日常运行和检修过程中经常出现轴承故障，通过对3种国产机车牵引电动机故障检修数据统计分析发现，轴承故障占电动机总故障的3.5%～7.5%[3]，而轴承故障中比较常见的缺陷是保持架铆钉松动、铆钉头折断及保持架脱开等。因此对牵引电动机用圆柱滚子轴承保持架的铆接进行分析改进。

1 保持架传统铆接方式

圆柱滚子轴承铆接式组合保持架的铆接方法主要有冷冲压铆接和电加热铆接。

冷冲压铆接是在专用压力机上通过使用模具使铆钉冲压变形进行铆接，铆接质量受铆钉头端面平整度和铆钉放置的影响。铆钉通常为冷剪切剪断，铆钉头端面难免出现不平整；铆接时很难保证铆钉的绝对垂直，铆接过程中容易造成铆钉头歪斜、表面裂纹等缺陷。当铆钉头根部产生裂纹时，轴承运转过程中受冲击和振动等的影响，导致裂纹扩展，甚至会引起铆钉头疲劳断裂，从而导致铆接失效，影响轴承的正常使用。铆接时铆接头歪斜必然造成返修，耗费人力、物力，增加生产成本，也易对保持架造成损伤，且铆接头歪斜会导致拆钉时铆钉孔两端局部微小变形，再次装钉铆接时会产生微小间隙，该间隙在轴承运转中受冲击和振动等的影响将发生微动磨损，从而产生疲劳裂纹，严重时会导致铆钉头断裂或脱落[4-5]。

电加热铆接是利用电铆机通电加热铆钉，铆钉达到一定温度后在电铆机压力作用下铆接。电加热铆接主要受铆接设备性能的稳定性和铆钉材料力学性能等因素的影响，铆接过程电流波动会造成铆接压力不稳定，铆钉头过烧或加热不足易导致铆接不到位、松动等问题。

文献[6]对轴承保持架铆钉失效原因进行了分析，结果表明：热铆接可以保证形成的铆钉头与保持架端面及铆钉孔的紧密配合，但强度较低，在特定条件(如振动)下可能出现微动磨损，进而导致铆钉疲劳断裂。牵引电动机驱动端轴承为浮动端，工作中受到轴向冲击和振动的影响，保持架会持续受到滚子的轴向冲击力，因此，铆钉容易出现疲劳断裂。

文献[7]对发动机轴承保持架铆钉头脱落原因进行了分析，结果表明：当铆钉头端面和保持架端面存在微小间隙时，铆钉与保持架在高频、小振幅振动环境中发生反复相对摩擦运动，随着运动速度和方向的不断改变，在铆钉头端面产生极高的接触应力，当其超过磨粒压溃强度时，铆钉头摩擦表面产生塑性变形直至疲劳断裂。

2 技术改进

2.1 铆钉材料的改进

铆钉材料由传统的ML15或ML20改为40CrNiMo，依据YB/T 5144—2006 《轴承保持器用碳素结构钢丝》及GB/T 3077—2015 《合金结构钢》得到不同材料的力学性能见表1。

表1 不同材料的力学性能

由表1可知：40CrNiMo的力学性能明显优于材料ML15及ML20，在使用过程中当轴承受到冲击或振动时，避免了由铆钉材料性能导致的铆钉在铆钉孔内弯曲变形而造成铆钉松动或折断等问题，使保持架的连接更牢固。

2.2 铆接结构的改进

为防止保持架在使用过程中松动，改善保持架工作状态，对铆接结构进行改进，改进后铆接结构如图1所示。铆钉穿过保持架座和保持架盖与螺帽通过螺纹连接，使保持架座和保持架盖紧固连接，然后采用电加热铆钉的方法使铆钉产生热变形而与螺帽形成固定连接，整个连接形成了自锁结构。铆钉和螺帽结构分别如图2和图3所示。需要说明的是，文中轴承设计方案的铆钉头凸出轴承端面不影响轴承安装使用，在具体的应用场合应考虑铆钉头突出轴承端面时是否有足够的安装空间。

图3 螺帽结构图

由图2、图3可知：铆钉头的直径小于铆体的直径，两者连接处形成台阶结构，而螺帽内孔一端设有与上述台阶结构适应的倒角，以便铆钉与螺帽连接时能使保持架座和保持架盖紧固连接；而螺帽上的弧面凹槽(也可做成平面)为螺帽在铆钉上的旋紧起到防滑作用。连接后通过电加热方式铆接，使铆钉头与螺帽形成自锁结构。

3 结束语

改进后的铆钉结构综合了电加热铆接和冲压铆接的优点，避免了热铆接时铆接压力小，易松动等问题，同时也消除了冷冲压铆接过程中由于冲压力不均等导致的微动磨损带来的铆钉断裂失效的隐患。改进后的结构，在铆接力较小的情况下，使保持架能够稳固连接，防止保持架在使用过程中松动，改善了保持架的工作状态，提高了轴承的使用寿命。