一种轴承塑钢保持架断裂问题分析

王文华，高纯友，刘飞

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062；2.长春市轨道交通集团有限公司，长春 130000）

轴承塑钢保持架因其耐磨损，冲击韧性好，耐腐蚀等特点，逐步在轨道交通车辆上得以应用，地铁、有轨电车等城市轨道交通车辆已采用国产化带有塑钢保持架的轴承装车[1]。

某70%低地板有轨电车动力转向架采用了带有塑钢保持架的双列圆柱滚子轴承，在年检拆解过程中发现该保持架沿兜孔拐角处向外延伸断裂，检查油脂状态正常。在正常维护保养情况下该故障批量出现，现对故障原因进行分析，并提出解决方法。

1 故障描述

轴箱结构如图1所示，双列圆柱滚子轴承尺寸为φ100 mm×φ180 mm×60.3 mm，在车辆运行过程中主要承受径向和轴向载荷。

图1 轴箱结构Fig.1 Structure of axle box

轴承分解清洗后明显可见保持架兜孔横、纵梁拐角处出现向外延伸的断裂区（图2），除已发生碎裂的保持架无法观察外，所有失效保持架断裂状态均与此相同。

图2 保持架断裂情况Fig.2 Fracture of cage

2 故障分析

2.1 材料成分分析

对断裂保持架进行能谱分析，结果如图3所示。由图可知，保持架成分与 JB／T 7048—2011《滚动轴承 工程塑料保持架 技术条件》中尼龙66材料相符，满足材料选型要求。

图3 保持架能谱分析Fig.3 Energy spectrum analysis of cage

2.2 断口形貌

2.2.1 宏观分析

保持架断口宏观形貌如图4所示。由图可知，断口表面呈细小蜂窝状，疑似在断裂过程中玻璃纤维与基体分离时形成，并伴有局部挤压和磨损。虽然保持架材料的致密度越低，力学性能越差[2]，但在其他车辆上使用致密度相近的产品时并没有发生断裂问题，所以致密度的影响可以排除。

图4 保持架断口宏观形貌Fig.4 Macro morphology of fracture of cage

2.2.2 微观分析

对保持架断口进行扫描电镜检查，结果如图5、图6所示。由图可知：断口及凹坑表面光滑，呈现明显的熔融痕迹（图5）；过梁上凹坑表面存在挤压痕迹，在凹坑底部已形成裂纹（图6），将造成二次剥落。由于扫描电镜检查本身也会造成尼龙局部熔融，同时，二次剥落与初始断裂受力状态有关，所以从微观断口形貌来看，保持架制造质量不存在明显缺陷[3]。

图5 断口表面凹坑形貌Fig.5 Morphology of pit on surface of fracture

图6 过梁内凹坑形貌Fig.6 Morphology of pit in beam

2.3 力学性能

按照JB／T 7048—2011要求（吸湿干燥后保持架径向拉伸强度不小于52 MPa），使用万能液压试验机分别对同材质的3件新制保持架（新）、已发生断裂（旧）的保持架进行拉伸试验，结果见表1。由表可知，新制保持架拉伸强度符合JB／T 7048—2011要求，旧保持架拉伸强度低于标准要求。

表1 新、旧保持架拉伸强度Tab.1 Tensile strengths for old and new cages MPa

2.4 结构

由于断裂均发生在横、纵梁过渡拐角处且向外延伸，所以对该区域进行局部放大，发现断裂保持架在兜孔横、纵梁根部为直角过渡（图7）。

图7 保持架横、纵梁根部过渡结构Fig.7 Transition structure at root of horizontal and longitudinal beams of cage

直角过渡形式会在根部产生较大的应力集中，过渡圆角半径和横梁厚度之比（R／T）与应力集中系数[4]的关系如图8所示。由图可知，应力集中系数与该比值成反比，比值越趋近于0，应力集中系数越高，在循环载荷的作用下保持架更容易发生疲劳断裂。

图8 应力集中系数变化规律Fig.8 Variation rule of stress concentration factors

2.5 滚子及保持架尺寸

2.5.1 滚子尺寸

分别对5个保持架断裂兜孔处的滚子尺寸进行检测，结果见表2。由表可知，断裂兜孔处的滚子尺寸符合设计要求。

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

2.5.2 保持架尺寸

为了确认断裂保持架是否存在尺寸异常而导致与滚子异常接触，分别选取6件新、旧保持架，对其内、外径进行检测，结果见表3。由表可知，新、旧保持架与设计尺寸相比差异均不大，有个别超差情况，但偏差较小，是保持架去除注塑残余应力后的正常变化，对保持架不会造成本质影响。

表3 保持架内、外径尺寸Tab.3 Inner and outer diameters of cages mm

基于检测结果，可排除保持架因异常变形或长期运行导致断裂的可能。

2.6 保持架强度

采用ANSYS软件对保持架进行仿真分析，结果如图9所示。由图可知，保持架单个兜孔在0.443 kN的周向载荷下才会产生破坏（图9a），单个滚子与保持架产生超过0.67 kN的轴向载荷时，保持架会产生早期裂纹（图9b）。

图9 保持架兜孔应力分布Fig.9 Stress distribution of cage pocket

2.7 注塑孔对保持架强度的影响

注塑时基体材料在模具中产生的熔接点较少，但远端若温度降低，易产生熔接缺陷，影响保持架整体强度[5]。而该保持架注塑孔分布于每个横梁内径表面（图10），因注塑流程较短，未及温度降低已充分熔接，有效避免了熔接缺陷的产生。此外，通过对多套开裂保持架外观检验，裂纹均发生于横梁根部，未发现熔接点处出现开裂的痕迹，故保持架开裂与注塑孔数量无直接关系。

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

2.8 润滑脂状态

轴箱轴承的运营维护周期为一年，拆解轴承后发现油脂颜色呈棕黑色，油脂量足够，黏度适中，没有干燥迹象（图11），可以排除润滑脂的影响。

图11 轴承润滑脂状态Fig.11 Grease state for bearing

2.9 小结

根据上述分析，可判断该保持架断裂的主要原因为横、纵梁根部直角过渡导致应力集中过大，其在疲劳循环载荷下产生断裂；同时，材质内部致密程度不佳，虽能满足标准要求，但有待进一步提高。

3 改进方案

对塑钢保持架局部结构进行改进，将横、纵梁由直角过渡改为0.5 mm圆弧过渡（图12）；同时改善材质内部致密度。抽取5件改进后的保持架进行力学性能检测，结果见表4。由表可知，吸湿干燥后保持架的拉伸强度均明显提高，将改进后的保持架装车试验，至今未发现有断裂现象。

图12 保持架横、纵梁圆角过渡结构Fig.12 Transition structure of fillet at horizontal and longitudinal beams of cage

表4 改进后保持架的拉伸强度Tab.4 Tensile strengths of improved cage MPa

4 结束语

对某70%低地板车辆转向架轴箱轴承用塑钢保持架断裂问题进行了研究，通过分析可知保持架断裂是由兜孔横、纵梁拐角处结构应力集中所致的。改进保持架局部结构后应力集中状态得以缓解，同时，改善材料致密度有助于提高保持架强度。经力学性能检测证明，保持架拉伸强度明显提高，避免了断裂发生。