动车组塞拉门摆臂滚轮失效原因分析及改进措施

摘要：摆臂滚轮在塞拉门的运动中起导向作用，其断裂失效会导致车门运动卡滞甚至无法打开或关闭。鉴于此，针对动车组塞拉门上的摆臂滚轮破损故障进行调研，排查、分析滚动轴承失效的根本原因，并针对性提出改进措施，以确保塞拉门故障得到有效排除。

关键词：动车组;塞拉门;故障分析;轴承

0 引言

塞拉门系统是轨道车辆的重要组成部分，门扇下导轨与安装在车体上的摆臂组件滚轮配合，保证了门扇下部塞拉运动的平稳性。动车组塞拉门运用过程中频繁发生因摆臂滚轮失效而引起的车门运动卡滞故障，因此提高摆臂滚轮的可靠性对塞拉门的运用有重要意义。本文以一起典型动车组塞拉门滚轮破损故障为案例，分析滚轮失效的原因并提出改进措施。

1 问题描述

摆臂组件安装在车体下部，其与门扇下导轨配合的方式如图1所示，其中摆臂体水平安装，导轨体竖直安装，安装后1#滚轮和2#滚轮在下导轨外侧表面滚动，3#滚轮在下导轨内侧滚动。

车门下部运动卡滞，将下摆臂拆除后发现其中一处滚轮破裂，对故障件进行外观检查，发生破损的为3#滚轮，如图2所示，可见滚轮轴承外圈断裂。

经调查，截至故障发生时间，故障件使用时间未超过17个月，远未达到滚轮的预期使用寿命（12年）。对图2中滚轮断口A处进行检查，发现了典型应力裂纹，如图3所示。

2 故障件失效原因分析

依据标准《滚动轴承 损伤和失效 术语、特征及原因》（GB/T 24611—2020）[1]中的描述，可定义故障件失效形式为断裂。标准列举了失效特征为“贯穿裂纹、断裂”时的可能原因，如表1所示。

下面对表1中所列的可能原因逐一進行排查。

2.1    设计选型分析

常规向心滚动轴承的承载能力由径向基本额定动载荷Cr和径向基本额定静载荷Cor决定[2]。塞拉门滚轮轴承的设计选型要求为：基本额定动载荷Cr=5.0 kN，基本额定静载荷Cor=2.7 kN。滚轮主要受力发生在车门直线运动段，此时1#和2#滚轮提供门扇下部的支撑力，3#滚轮理论上不受力，门扇受力状态示意图如图4所示。

下面对滚轮轴承所受静载荷以及寿命进行校核。

2.1.1    静载荷分析

车门打开状态时，门扇与携门架连接，一并安装在长导柱上，并且可绕长导柱旋转，假设此时仅摆臂组件上的一处滚轮与门扇接触并提供支撑力，参考图4中受力状态，此时滚轮承受的理论最大径向载荷Fr与门扇所受重力G之间存在关系：

结论：由计算结果可知，轴承运动寿命L10远大于门系统使用需求。

根据以上分析可知，滚轮轴承的选型参数满足使用工况，且有足够的安全冗余。

2.2    工作条件分析

由上文分析可知，车门正常工作时滚轮承受的载荷远小于基本额定载荷，并且此时车辆处于停止状态，滚轮不存在振动工况;当车辆运行时，车门锁闭，门扇被辅助锁压紧，此时摆臂组件不承受载荷。因此，故障原因与滚轮轴承工作条件无关。

2.3    零件尺寸精度检测

滚轮外形尺寸设计要求如图5所示，对轴承轮外圈关键尺寸进行复测，结果如表2所示，可以看出滚轮尺寸精度符合要求。

2.4    零件材质检测

滚轮轴承要求外圈材质为GCr15轴承钢，表面硬度达到HRC58～64。

对断裂的轴承外圈进行材质成分检测，结果符合《高碳铬轴承钢》（GB/T 18254—2016）[3]标准中对GCr15材质的要求。

依据《高碳铬轴承钢滚动轴承零件 热处理技术条件》（JB/T 1255—2001）[4]对轴承外圈断口处金相组织和硬度进行检测：金相组织为2～3级，符合标准规定的1～4级的要求，如图6所示;检测硬度为HRC61.4，满足标准规定的HRC60～65的要求。

2.5    安装状态分析

观察故障件，可以发现3个滚轮磨损痕迹的位置存在明显不同，1#滚轮和2#滚轮的磨损痕迹靠近滚轮下部，3#滚轮的磨损痕迹靠近滚轮上部，如图7所示。通过滚轮磨损痕迹分析，摆臂体安装后与下导轨存在一定的倾斜夹角。

当摆臂体相对理论安装位置产生倾斜时，滚轮与下导轨之间的间隙消失，且会存在安装应力，滚轮所受的载荷也会从外圈的中间位置变为上、下边缘位置，如图8所示。

滚轮外圈的边缘缺少支撑，属于滚轮最薄弱的区域，如图9所示，因此当受到非正常安装带来的偏载时，便会产生应力裂纹，最终导致滚轮失效。

3 改进措施

根据上述分析，若要避免滚轮因非正常的安装状态而导致提前失效，需要在摆臂组件安装时增加摆臂体保持水平的调整要求。在实际安装调整以及运用检修过程中，可以通过观察滚轮上的痕迹来判断摆臂安装位置是否合适，如图10所示，摆臂组件上3个滚轮的痕迹应都保持在滚轮外圈中部位置。

4 结语

结合对故障件的检测分析可知，本次故障是非正常的安装状态造成摆臂滚轮失效而导致的车门卡滞，即摆臂安装后倾斜。根据故障成因提出安装后检查摆臂体水平的改进措施，并体现在安装调试及维护检修作业指导文件中，可有效提高塞拉门运用的可靠性。本文针对动车组塞拉门摆臂滚轮失效故障进行了原因分析，并提出了改进措施，对铁路交通设备的运用检修具有重要借鉴意义。

[参考文献]

[1] 滚动轴承 损伤和失效 术语、特征及原因：GB/T 24611—2020[S].

[2] 刘建志，黄振，祁百龙.滚轮轴承的载荷参数及其计算方法[J].轴承，2017（6）：1-8.

[3] 高碳铬轴承钢：GB/T 18254—2016[S].

[4] 高碳铬轴承钢滚动轴承零件 热处理技术条件：JB/T 1255—2001[S].

收稿日期：2021-07-26

作者简介：毛鹏（1994—），男，江苏宿迁人，助理工程师，研究方向：机械设计。