高速動車組軸箱軸承保持架磨損原因分析

范軍，韓慶利，劉超，劉闖

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

軸箱軸承是軌道列車轉向架的重要零部件之一[1－4]，其主要作用為承載列車質量和實現輪對高速運轉。某軸箱軸承使用過程中發生多起溫升預警故障，有必要對溫升預警軸承故障原因進行分析。

1 故障特征

某運行速度為300 km／h的高速動車組軸箱用雙列圓柱滾子軸承發生多起溫度超過120℃的溫升預警故障。故障軸承零件外觀形貌如圖1所示，僅保持架存在磨損，正常運行120×104km的同型號保持架外觀形貌如圖2所示。分析其故障原因可能為保持架磨損。

圖1 軸承零件外觀形貌Fig.1 Appearance of bearing parts

圖2 正常運行狀態的保持架Fig.2 Cage under normal operating condition

2 故障原因分析

故障軸承主要結構參數：內徑為130 mm，外徑為240mm，寬度為160mm，單列滾子數量為17，滾子直徑為27 mm，滾子長度為48 mm，滾子組節圓直徑為184 mm，引導間隙為0.45 mm。

2.1 溫度對保持架磨損的影響

2.1.1 理論分析

故障軸箱軸承保持架采用外圈引導方式（圖3），在軸承運轉過程中，保持架受溫度、載荷及振動的影響發生徑向彈性變形，外圈凸緣內徑面約束保持架運動，使其保持相對穩定的運行姿態[5]。正常情況下保持架引導面與外圈凸緣內徑面部分接觸。當溫度升高時，保持架引導面與外圈擋邊內徑面之間間隙可能減小，保持架引導面與外圈擋邊內徑面接觸面積增大甚至全接觸，從而產生磨損。

圖3 外圈引導方式Fig.3 Guiding method of outer ring

在不考慮載荷及振動影響的情況下，各零件的線膨脹量為

式中：L為零件公稱尺寸；ΔT為零件溫度變化量；υ為零件線性熱膨脹系數。

保持架材料線性熱膨脹系數υ1＝50×10－6K－1，保持架與擋邊配合外徑公稱尺寸為199.82 mm。外圈材料線性熱膨脹系數υ2＝12×10－6K－1，軸承外圈擋邊內徑公稱尺寸為201 mm。假設室溫為20℃，且軸承外圈與保持架溫差為10℃。

當外圈溫度為120℃時，保持架線膨脹量為1.10 mm，外圈線膨脹變化量為0.24 mm，保持架引導間隙減小量為0.43 mm。當外圈溫度為130℃時，保持架線膨脹量為1.20 mm，外圈線膨脹量為0.26 mm，保持架引導間隙減小量為0.47 mm。綜上可知：在不考慮潤滑影響下，當外圈溫度上升至120～130℃時，保持架引導間隙減小量為0.43～0.47 mm。

溫升預警軸承保持架引導間隙為0.45 mm。溫度升高時保持架引導面可能與外圈擋邊內徑面發生全接觸，從而產生磨損。

2.1.2 試驗驗證

選取3個保持架分別進行熱膨脹試驗，保持架加熱至120℃時保持架半徑膨脹值約為0.5 mm，保持架引導間隙為0.45mm，故可能會發生全接觸。驗證了上述理論分析的正確性。

2.2 保持架磨損對溫度(內圈溫度)的影響

2.2.1 有限元分析

前文分析了保持架磨損是由于溫度升高所致，保持架磨損是否會影響溫升需進行分析。建立軸承有限元模型，設置內圈轉速為2 000 r／min，保持架轉速為1 184 r／min，保持架與外圈摩擦因數為0.05，軸承外圈材料彈性模量為200 GPa，保持架材料彈性模量為7 500 MPa。

分析3種工況下的功率損失：1）保持架不磨損，正常運轉軸承的功率損失；2）引導間隙為0.45 mm，保持架磨損產生的功率損失；3）引導間隙為0.5 mm，保持架磨損產生的功率損失。

通過有限元進行分析的結果如圖4所示，由圖可知：1）在工況1下，當軸承溫度上升到80℃時，軸承功率損失為2 000 W，當軸承溫度上升到110℃時，軸承功率損失為2 500 W；2）在工況2下，軸承溫度上升到90℃時（保持架與擋邊剛剛發生接觸），保持架磨損造成的功率損失為250 W，遠遠低于軸承正常運行時的功率損失；3）在工況3下，軸承溫度上升到100℃時（保持架與擋邊剛剛發生接觸），保持架磨損造成的功率損失為450 W，仍低于正常運轉軸承的功率損失。

圖4 功率損失分析結果Fig.4 Analysis results of power loss

綜上可知，保持架磨損產生的功率損失對正常運行軸承功率損失影響很小，保持架磨損不會導致軸承溫度急劇升高。

2.2.2 試驗驗證

為驗證分析結果，進行了保持架全接觸試驗。試驗共進行60 min，保持架的溫升示意圖如圖5所示。由圖可知：保持架全接觸時溫升約10℃。說明保持架接觸不會導致保持架溫度急劇升高。

圖5 保持架溫升示意圖Fig.5 Diagram of temperature rise of cage

3 結束語

軸箱軸承保持架磨損的主要原因為軸承溫升導致保持架與外圈擋邊引導間隙減小，從而產生磨損。在保證軸承性能的前提下，采用外圈引導的高速動車組圓柱滾子軸承保持架與擋邊間隙可適當增大，以減少保持架磨損的影響。分析結果可為該類軸承的設計提供參考。