客車滾動軸承早期失效的原因及措施

刁金欣

（濟南鐵路局 濟南車輛段，山東青島266001）

濟南車輛段配屬的25G型客車主要編掛在青島至上海的K295／296次列車上，運用一、二個段修就發現大量軸承因故障失效而報廢，青島至上海單程1 351 km，運行時間為20h11min，日均走行1 351km，一個段修期約走行74萬km，兩個段修期約走行148萬km。25K型客車主要編掛在青島至北京T25／26次和T195／196次列車上，檢修周期是按走行距離確定，A2級檢修周期為40萬km，A3級檢修周期為120萬km。在A2級和A3級檢修中也同樣發現大量軸承因故障而報廢。在報廢的軸承中絕大多數走行距離在120萬km左右，有的甚至只走行了80萬km就因故障不能繼續使用而辦理了報廢手續。走行距離大部分不足額定壽命（280萬km）的一半，屬早期失效。

軸承早期失效報廢量如此之大，不僅是一種極大的浪費，還嚴重地威脅著提速列車的安全，應引起車輛部門的高度重視。

1 軸承早期失效的原因

1.1 25G型客車滾動軸承早期失效的原因

客車段修在分解完畢軸箱取出軸承時，就會發現這類軸承內圈工作面及位于軸箱頂部的外圈內滾道工作面，均有較密集的長條形軸向凹形條紋，并伴有疤痕、起皺等電蝕現象。軸承滾子工作面也有上述缺陷，但相對要少些、淺些。肉眼觀察大部分凹形條紋亮暗分明，表面已過熱變色，呈深棕色或淺黑色。

為了查找原因，我們對上述軸承進行了全數檢測，其結果如下：軸承的軸向游隙（凸出量）、徑向游隙、滾子的長度差、直徑差、圓度、錐度及內外圈相關尺寸都符合要求，軸箱總組裝質量和相關配合尺寸也全都符合規定。

從檢修記錄查得凡軸承零件出現上述問題的軸承，其轉向架均為209P型，軸箱上均安裝有接地線，其中長春客車廠和南京浦鎮車輛工廠生產的客車，接地線位于3、6位軸箱上，唐山車輛工廠生產的客車接地線位于1、8位軸箱上。為了證實軸承內外圈及滾子工作面出現凹痕、疤痕和起皺等缺陷，濟南車輛段技術部門同運用車間一起，對上述客車進行了一次詳細普查，具體測試結果如下：

（1）空調客車接地線中確實存在電流，在被測的車輛中有50%左右接地線存在接地電流，還有部分車輛接地線電流已達到25A左右，個別車輛接地線電流接近50A。

（2）接地線電流值離散性很大，可以認為接地電流值與車輛負載大小及負載相平衡度有關。

（3）車輛的接地電流冬季較夏季大些。

（4）按車種考慮，發電車的接地電流較其他車種大些。

從量子力學隧道效應和燒結效應理論中可知：當電流通過軸承滾動體表面時，鋼被加熱，表面硬度降低。同時還伴隨著潤滑脂電化學分解造成軸承表面腐蝕。此后，由于腐蝕和變形的加劇而加速起皺，起皺和疤痕在運轉滾動體相互碾壓下逐漸脫落，并隨著時間的推移和走行距離的延長，脫落物越積越多，污染潤滑脂并導致摩擦因數增大，甚至出現干（或半干）摩擦。運行中將起皺和疤痕徹底磨掉，形成一道道條形凹痕。

1.2 25K型客車軸承早期失效的原因

濟南車輛段配屬的25K型客車多數是在2000—2003年度生產的，分別采用SW－160型和CW－2型轉向架，設計速度為160km／h。當這批客車運用到8 0萬km或120萬km進行檢修時，發現大量軸承內外圈及滾子工作面已經出現疲勞磨損和腐蝕，有些甚至已出現剝離跡象。在放大十倍的放大鏡下觀察，有明顯振動損傷和軸向沖擊磨蝕跡象，部分軸承已產生塊狀磨屑，有明顯剝離前期癥狀。軸承滾道沖擊磨損和腐蝕，又可分為圓周性帶狀振動沖擊磨蝕和圓周性軸向沖擊磨蝕兩種。

軸承圓周性帶狀振動沖擊磨蝕為疲勞（早期疲勞失效）磨損，在放大鏡下觀察表面呈深淺不一，形狀不規則的微觀凹坑，并伴有棕紅色過熱變色條紋。根據赫芝彈性接觸理論，相互接觸的均勻材質，其最大壓應力（即最大接觸應力）應發生在滾動體表面中心部位，但車輛的橫擺、側滾和搖頭等產生的橫向振動，加上滾動輪對運行中車輛受力產生的彎曲撓度（彈性變形），使軸承滾道上的最大應力經常偏離中心，因此軸承滾道上的這個圓周性帶狀振動沖擊磨蝕也往往不在套圈的中心部位。抽查取樣檢驗時，發現軸承滾道有極薄的二次淬火和回火層，這說明軸承工作面曾產生過高熱。

軸承圓周性軸向沖擊磨蝕是車輛在高速運行中橫向沖擊振動的產物，是滾動體橫向滑動造成的，是位移和強大剪切應力所致。在放大鏡下觀察，呈長短不一，寬度在0.2～1.0mm左右的軸向直條，在通常情況下內圈工作面分布相對較密較多，外圈的軸向直條都集中在位于軸箱頂部內滾道的弧面上，分布密度大致和內圈相似，滾子工作面上也有分布，但不均勻，與套圈相比要少些。

軸承圓周性軸向振動沖擊磨蝕，在萌生和發展過程中，可大體分為3個階段。最初（萌生）階段為黑色直條，基本上無手感；第2階段則出現凹凸不平的沖擊條紋痕道，有手感，但不很明顯；最后階段則出現明顯軸向凹凸狀沖擊條紋，手感非常明顯，在放大鏡下觀察有多層程度不同的振動沖擊跡象，并伴有明顯劃痕和擦傷痕跡，嚴重時已有剝離前癥兆，甚至已開始剝離。

2 軸承失效的演變過程

客車滾動軸承內外圈及滾子的接角面存在著很大的應力（約為1 500～5 000MPa），如果不用潤滑油膜把相對運動的接觸面隔開來，它們將很快發生磨損和表面燒傷，使軸承壽命下降。通過試驗和理論計算可知，在正常的條件下，運轉的滾動體之間，其最小油膜厚度應為0.1mm左右。按照彈性流體潤滑理論（EHL理論），一對滾動的圓柱體如果不被油膜完全隔開，壓力分布曲線與赫芝接觸理論的壓力曲線不同，在脫離接觸處（或稱油膜出口處），將出現一個壓力峰值（如圖1所示）。

圖1 壓力分布與油膜厚度

此處的油膜收縮得最小，接觸區域上的最小油膜厚度方程為

式中H為材料厚度參數；G為材料參數；V為速度參數；W為負荷參數。

由上述公式分析可知，負荷對于油膜厚度的影響較小，而彈性變形和速度對油膜的影響較大。理論和試驗都證明，如果潤滑膜hmin值小于0.1mm時，兩滾動體就不可能完全被油膜所隔開，將會出現干摩擦或半干摩擦，使軸承產生急劇溫升，嚴重時還可能導致熱軸。潤滑油膜能否形成，除了與油膜厚度參數（主要取決于油脂黏度系數）有關外，主要受軸承滾動體表面粗糙度的影響，塔林（TALLIAN）等人采用油膜潤滑參數λ來表示滾動體表面粗糙度對油膜潤滑形成的影響。λ為油膜厚度與兩滾動體表面粗糙度均方根的比值。

式中λ為油膜潤滑參數；δ1和δ2為兩滾動體表面粗糙度值。

油膜潤滑參數λ與軸承相對壽命（某個軸承的實際使用壽命與額定壽命的比值）的關系，可用塔林曲線來表示（如圖2所示）。

圖2 λ對壽命與潤滑參數的關系

曲線表明軸承表面粗糙等級越高（表面越光潔）其λ值也就越大，軸承的實際使用壽命也就越長。當λ≥4時，則表明軸承滾動體完全處于彈性流體潤滑狀態，滾動體之間已完全被潤滑油膜所隔開，軸承已處于良好潤滑狀態，軸承的實際使用壽命已基本達到了額定壽命值。根據這個道理，如果軸承滾動體表面粗糙度等級下降，其λ值也自然下降，軸承的使用壽命也將大幅度下降。經計算滾動體粗糙度每下降一個等級，λ值將下降一倍，軸承的實際使用壽命將降低30%～40%。濟南車輛段配屬的25G和25K型客車，其軸承內外圈及滾子工作面遭到了嚴重破壞，經檢測估算其破壞程度已等于粗糙度下降了數個等級。同時因其軸承表面遭到破壞，脫落了大量鐵粉等雜質，稀釋了Ⅲ型鐵道潤滑脂，使油脂的潤滑性能降低，破壞了滾動體表面的保護（潤滑）膜。處于這種不利情況下的軸承由額定壽命280萬km，下降至120萬km（甚至只運行了80萬km），就因故障早期失效，提前報廢。

3 措施

3.1 降低25G型客車軸承早期失效的措施

眾所周知，電流密度對滾動軸承發生損傷的程度至關重要，它與軸承整個表面接觸面積密切有關。在正弦電壓下，軸承的通過電流被用來預測軸承壽命，有關資料表明，當電流密度為0.7A／mm2時軸承的壽命為50 000h；當電流密度為1.4A／mm2時，軸承的壽命縮短為500h；當電流密度大于2A／mm2時，在5h后即達到破壞水平。而安全電流密度值應為0.15A／mm2～0.39A／mm2之間。

很明顯濟南車輛段上述25G型客車滾動軸承電蝕是接地線電流過大引起的。而接地線電流密度值小的客車，其滾動軸承就安然無恙。如20世紀80年代末，濟南車輛段有十幾輛從原民主德國進口的24型軟臥車和軟座空調車，同樣沒有接地線，用了十幾年也未發生過軸承電蝕情況。再如由四方機車車輛工廠生產的同類25G型空調客車，也都已使用近一個廠修期，也未曾發現類似軸承電蝕問題。

為此我們建議，在對長春客車廠、南京浦鎮車輛廠和唐山車輛廠生產的25G型客車進行廠修時，應對客車的供電線路的設置布局及絕緣情況進行一次全面檢查，發現問題及時處理。在對上述車輛工廠生產的25G型客車進行段修時，也要全面查一查供電線路的絕緣情況，并采取有效措施，將接地線的電流密度值控制在0.39A／mm2以下。

3.2 降低25K型客車軸承早期失效的措施

25K型客車滾動軸承早期失效的主要原因是軸承滾道沖擊磨損和磨蝕所致，是客車提速后高速運行中引發的強烈沖擊和振動引起的。要降低客車滾動軸承早期失效的數量，就必須盡最大努力來減緩車輛在高速運行中的沖擊和振動。

減緩客車沖擊振動是一項系統工程，要最大程度地把沖擊和振動減下來，從車輛（主要是轉向架）設計制造到運用檢修都要努力，要全方位地做好工作。

3.2.1 設計制造方面應做的工作

（1）設計制造一種高性能高穩定性轉向架

要增加25K型客車的運行穩定性，轉向架是關鍵。目前25K型客車是采用SW－160型和CW－2型轉向架，雖然這兩種轉向架在綜合技術性能上都有所長，比以往傳統轉向架有較大進步，但在穩定性尤其是橫向穩定性方面還存在不少問題，因此建議科研部門和車輛制造工廠，設計制造一種在高速運行條件下穩定性較強的轉向架（包括具有良好的減振系統），以適應客車提速的需要。

（2）設計制造一種適應高速的優質客車軸承

為了適應高速客車的需要，各國根據自己的技術水平、技術觀點和運用條件，在高速客車軸和軸承結構形式和參數選擇上各有不同。如在大軸向力和軸向力作用頻率高的狀態下，選用圓錐滾動軸承，在軸向力相對較小頻率較低的狀態下選用圓柱滾動軸承。并根據速度的需要提高軸承設計與制造精度，調整軸承徑向游隙，采用非接觸式密封形式等。為提高軸承使用壽命還可以考慮采用新材料、新熱處理工藝等。

3.2.2 運用檢修方面應做的工作

（1）在高速運行的客車中，輪對故障對客車的穩定性影響較大，運用中檢修人員應加強對輪對的檢查工作，一旦發現車輪踏面有擦傷、剝離等故障，應認真填寫＂車統181＂，并按有關規定及時進行處理和更換。

（2）在A2和A3級檢修中，應抓好轉向架、輪對、軸承、軸箱的合理搭配，以減少因配合不合理而引起的橫向沖擊和振動。并做好油壓減振器的檢修和試驗工作，以確保現有減振器在運用中較穩定地發揮其減振作用。

［1］王福天.車輛系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［2］侯光溪.車輛構造與檢修［M］.北京：中國鐵道出版社，1996.

［3］劉澤九.滾動軸承應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［4］陳南平，等.機械零件失效分析［M］.北京：清華大學出版社，1988.