鐵路貨車輪對軸承裂損故障分析

□ 樊麟華 □ 葛世東 □ 張關震 □ 徐文天 □ 劉春橋 □ 張明明 □ 王 碩

1.上海聯合滾動軸承有限公司 上海 2002402.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所 北京 1000813.中國鐵路濟南局集團有限公司濟南西車輛段 濟南 2500014.北京中鐵科新材料技術有限公司 北京 100081

1 故障情況

滾動軸承是軸箱裝置的重要組成部分,不僅直接承受鐵路貨車的簧上重力,而且承受鋼軌對車輪的橫向、縱向沖擊。由此可見,滾動軸承的負荷很大,性能直接影響鐵路貨車的運行情況[1]。

軸承套圈原材料為20CrNi2MoA滲碳鋼,滲碳后表面洛氏硬度(HRC)可以達到59～63,滲碳深度一般要求為1.5～2.3 mm。選材的目的是滿足套圈使用過程中表面硬度和心部硬度的要求,使滾動軸承能夠達到80萬km的使用要求。2017年7月,發現有一套重載貨車輪對軸承在運行過程中突然出現燃燒情況。經檢查,軸承外圈破損,軸承內部嚴重磨損,摩擦發熱嚴重,導致油脂燃燒。軸承外圈破損是一種極為嚴重的軸承失效形式,一般會伴隨出現軸承密封失效、油脂泄漏、保持架斷裂、軸承異常磨損破碎、卡死,如果處理不當,可能造成斷軸、翻車等惡性交通事故[2-5]。對輪對軸承裂損故障的原因進行分析,采取有效措施消除安全隱患,對于保障鐵路安全運行具有重要意義。

2 軸承情況

故障軸承為雙列圓錐滾子軸箱軸承,在使用中與承載鞍的組合結構包括軸承外圈、軸承內圈、圓錐滾子、中隔圈、密封、保持架、前蓋、后擋、密封座等。軸承內圈和車輛輪軸通過過盈配合連接,軸承承載鞍和車輛轉向架相連,直接壓在軸箱軸承外圈上。軸承結構如圖1所示,軸箱軸承輪軸組裝如圖2所示。

圖1 軸承結構

圖2 軸箱軸承輪軸組裝

軸承現場如圖3所示,軸承外圈形貌如圖4所示,軸承內圈形貌如圖5所示,軸承滾子形貌如圖6所示,軸承保持架形貌如圖7所示。軸承外圈外排裂損,滾道產生疲勞,內排滾道除存在麻點和附著污物外,無明顯損傷。軸承內圈磨損,外排滾子嚴重磨損變形。軸承密封破損碳化,保持架破碎,潤滑脂碳化。

圖3 軸承現場

圖4 軸承外圈形貌

圖5 軸承內圈形貌

圖6 軸承滾子形貌

圖7 軸承保持架形貌

3 理化檢驗

對軸承進行理化檢驗,將外圈裂損處的裂紋剖開,觀察斷口形貌,并判斷裂紋源位置。在裂紋源區域取樣,采用光學顯微鏡進行觀察分析。根據相關標準對軸承進行顯微組織評定,同時進行洛氏硬度和化學成分檢驗。綜合檢驗結果,對軸承的損傷原因進行分析。

理化檢驗時,化學成分檢驗依據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,硬度檢驗依據GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分:試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》,非金屬夾雜物檢驗依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定--標準評級圖顯微檢驗法》,顯微組織檢驗依據GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》。評判標準包括TB/T 2235—2016《鐵道車輛滾動軸承》、JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》、JB/T 8881—2011《滾動軸承 零件滲碳熱處理 技術條件》。

3.1 宏觀檢驗

軸承外圈外表面形貌如圖8所示,可以觀察到與軸箱接觸的印痕,其中外排印痕處伴有明顯的裂損特征,區域周向長度約40 mm,宏觀可見裂紋的最大長度約55 mm,手觸摸有明顯凹陷感。軸承旋轉180°后外圈外表面形貌如圖9所示,未見與軸箱接觸的明顯印痕。軸承外圈滾道形貌如圖10所示,存在明顯的剝離掉塊,剝離區域的周向長度約60 mm,區域中軸向最長裂紋已占滿外排整個滾道。軸承外圈滾道放大形貌如圖11所示,剝離區中可觀察到向滾道面方向擴展的疲勞弧線,呈現疲勞損傷特征。除剝離外,外排滾道還可以觀察到明顯的磨損形貌。軸承外圈內排滾道形貌如圖12所示,除存在麻點和附著污物外,無明顯損傷。軸承斷口形貌如圖13所示,斷口上可以明顯觀察到自外表面向滾道方向擴展的貝紋狀疲勞弧線。由疲勞弧線的擴展方向判斷,該損傷處的裂紋源位于軸承外表面。

圖8 軸承外圈外表面形貌

圖9 軸承旋轉180°后外圈外表面形貌

圖10 軸承外圈滾道形貌

圖11 軸承外圈外排滾道放大形貌

圖12 軸承外圈內排滾道形貌

圖13 軸承斷口形貌

軸承內排內圈未見明顯損傷,外排內圈則損傷嚴重,滾道和與滾道鄰近的大小擋邊處均存在明顯磨損,擋邊處更可見嚴重的碾邊特征。軸承內排滾子無損傷,外排滾子損傷相對明顯。23粒滾子中有22粒滾子受熱變形嚴重,均被磨細壓長,1粒滾子磨損明顯,滾動面可見明顯犁溝特征。軸承外排保持架破損、斷裂,部分保持架已熔化,并附著在軸承金屬組件上。綜合以上宏觀檢驗可知,損傷主要集中在軸承外排。由外排組件的損傷程度判斷,外圈損傷相對更為嚴重,外圈首先發生失效的可能性很大,因此重點對軸承外圈進行檢驗分析。

3.2 微觀檢驗

采用光學顯微鏡對軸承外圈裂紋源進行金相觀察,裂紋源金相組織如圖14所示。裂紋源金相組織中可以觀察到塑性變形,在塑性變形層中還伴有微裂紋。

圖14 軸承裂紋源金相組織

分別對軸承外排外圈、內圈、滾子工作面3 mm區域內的金相組織進行觀察,依次如圖15、圖16、圖17所示。

圖15 軸承外排外圈金相組織

圖16 軸承外排內圈金相組織

將各金相組織與JB/T 1255—2014、JB/T 8881—2011標準中軸承正常金相組織進行對比,軸承外排各組件的金相組織均發生明顯改變,表明軸承外排受到了較強烈的熱作用。軸承初始金相組織已無法檢驗。

依據GB/T 10561—2005中的A法對軸承外排外圈、內圈、滾子非金屬夾雜物進行評級,評級結果見表1。

軸承外排外圈、內圈、滾子的非金屬夾雜物級別均滿足 TB/T 2235—2016的相關要求。

3.3 硬度檢驗

依據GB/T 230.1—2009對軸承外排外圈、內圈、滾子的硬度進行檢驗,檢驗結果見表2。

圖17 軸承外排滾子金相組織

表1 軸承非金屬夾雜物評級結果

表2 軸承硬度檢驗結果

由表2可知,軸承外排各組件受熱嚴重,已無法依據這些數據進行對標評判。

3.4 化學成分檢驗

依據 GB/T 4336—2016對損傷嚴重的軸承外排外圈化學成分進行檢驗,檢驗結果見表3。

由表3可知,軸承外排外圈的化學成分滿足TB/T 2235—2016的相關要求。

由此完成軸承理化檢驗。

表3 軸承外排外圈化學成分檢驗結果

4 故障原因分析

4.1 軸承損傷分析

由目視檢查可知,軸承損傷主要集中于外排,其中外排內圈滾道和滾子滾動面存在明顯磨損、變形,保持架斷裂、破碎。外排外圈滾道除磨損、變形外,還存在一處明顯剝離掉塊,剝離區域周向長度約60 mm,寬度幾乎占整個外排滾道,深度與外圈壁厚相當。綜合上述組件的損傷程度判斷,外排外圈首先發生失效的可能性較大,且外排滾道剝離處先于其余部位失效。

剖開剝離區域中的裂紋,可觀察到明顯疲勞弧線,由疲勞弧線的走向能夠判斷裂紋源位置。裂紋源位于外圈外表面與軸箱相接觸的印痕處,這一區域存在明顯塌陷現象。

通過金相分析發現,裂紋源區的金相中存在較明顯的塑性變形組織,塑性變形層應是反復受軸箱擠壓所致。此外,塑性變形層中還可觀察到與塑性流變方向一致的微裂紋。當軸承外圈材料產生塑性變形時,塑性變形累積超過材料的塑性變形極限后,即會萌生裂紋。裂紋在軸承運行載荷及裝配載荷持續作用下不斷擴展,最終引發外圈宏觀裂損和掉塊。

軸承外排各組件均受到不同程度的熱作用,顯微組織、硬度已發生明顯改變,無法進行對標評判。軸承外圈非金屬夾雜物級別及化學成分均滿足TB/T 2235—2016標準中對G20CrNi2MoA滲碳軸承鋼的要求。

4.2 軸承偏載分析

軸承存在明顯偏載工況,偏載嚴重時會影響軸承的工作特性及壽命[6-8]。為了分析偏載是否為導致軸承外圈破損的原因,進行偏載和正常載荷下軸承接觸應力情況對比分析。軸承為雙列圓錐滾子軸承,在運行過程中,受到承載鞍施加的徑向力FV及車輛轉彎產生的軸向力FH。貨車輪對平衡力系如圖18所示。圖18中,h為車輛載荷中心與軸頸根部的距離,b1、b2為軸承載荷中心與車輛載荷中心的距離,S1、S2為車輪中心與車輛載荷中心的距離,R為車輪半徑,QH、QV為車輪與軌道接觸的約束力,m為車體質量,g為重力加速度,PV、PH分別為軸承在徑向及軸向上的等效載荷。

圖18 貨車輪對平衡力系

軸承正常載荷時的受力如圖19所示,軸承偏載時的受力如圖20所示。圖20中,x為軸承的負載偏距。

4.3 有限元分析

通過對軸承正常受力和偏載時滾子、滾道與擋邊接觸進行有限元分析,得到在正常載荷情況下,兩列滾子的受力情況基本相當[9-11]。軸承正常載荷時受力有限元分析如圖21所示。偏載情況下,一列滾子受力變形明顯大于另一列滾子,受力較小的一列滾子小端在偏載力矩的作用下受力變形相對比較大。軸承偏載時受力有限元分析如圖22所示。由于外圈滾道直徑大于內圈滾道直徑,滾子和外圈滾道接觸面積大于內圈,滾子和滾道的最大接觸應力位于內圈滾道和滾子接觸部位,因此理論上應是內圈滾道先于外圈發生疲勞。

圖19 軸承正常載荷時受力

圖20 軸承偏載時受力

圖21 軸承正常載荷時受力有限元分析

圖22 軸承偏載時受力有限元分析

軸承表面疲勞的特點是淺表層片狀疲勞剝落,疲勞源為最大剪切應力處,深度較淺。產生一處疲勞后,剝落會沿圓周方向向兩邊擴展,而不會在一個地方一直剝落,表面疲勞一般不會使套圈裂損。因此推斷,軸承外圈裂損與軸承存在偏載的情況關系不大。

4.4 分析結果

通過對軸承裂損故障情況分析,得出分析結果。

軸承一端嚴重磨損,另一端正常磨損。嚴重磨損一端的軸承外圈表面裂損,對應裂損處的外圈滾道磨損嚴重,滾子變形,保持架破碎,密封破損,油脂泄漏到輪軸上。正常磨損的一端,套圈、滾子形狀基本不變,保持架磨損,油脂泄漏到軸承外徑表面。軸承兩端受載狀態有明顯差異,軸承存在偏載現象。

軸承內圈表面有明顯磨損,未出現疲勞情況。表面磨損主要由潤滑失效后干摩擦導致,所以內圈磨損是故障產生的結果,不是引起故障的原因。

軸承外排滾子嚴重磨損和變形,但無碎裂,內排滾子無明顯損傷。滾子磨損和變形主要為潤滑失效后軸承內部摩擦加劇,溫度升高,滾子硬度降低,表面磨損增大所致,所以滾子磨損也是故障的結果。

軸承保持架破碎和潤滑脂碳化基本上可以確定是潤滑失效后高溫、磨損所致,因此也不是引發故障的原因。

油封破損和潤滑失效會導致軸承滾子、滾道表面出現干摩擦,滾子、套圈表面異常磨損,但不會導致外圈裂損,所以油封破損也是故障的結果。

通過分析,可以確定軸承外圈首先出現表面裂損是軸承失效的主要原因。軸承失效過程為軸承外圈表面裂損,滾道變形,滾子和滾道出現接觸異常,滾子傾斜,內部滾動變為滑動,滾子和滾道異常摩擦、磨損,保持架斷裂,軸承內部溫度升高,潤滑脂碳化、燃燒,套圈變形,軸承外圈牙口變形,防塵罩約束變松,油封脫出,油脂泄漏。在宏觀檢驗結果中,軸承外圈外排表面與軸箱接觸位置存在明顯的40 mm×55 mm凹陷裂損壓痕,驗證軸承外圈外徑受到局部外力沖擊。綜合判斷,軸承裂損的原因是軸箱承載鞍外表面存在局部形狀異常,如焊點、凸點等,造成與軸承外圈外徑面接觸不良,在車輛顛簸的運行過程中反復受到徑向沖擊載荷,最終造成軸承外圈局部疲勞、變形,產生破損。

5 結束語

筆者對鐵路貨車輪對軸承裂損故障進行分析。軸承失效首先發生在外排滾道剝離掉塊處,呈現疲勞損傷性質。疲勞裂紋起源于外圈外表面與軸箱接觸的印痕處,軸承承受偏載,但是偏載并不是導致故障的主要原因。軸承故障的主要原因是軸承外徑面受到軸承上方承載鞍的局部沖擊,在長期循環作用下,使軸承外徑面接觸點出現局部疲勞破損、變形,破損、變形一方面導致滾動體和滾道異常磨損,另一方面導致潤滑脂流失,密封失效,最終導致軸承裂損故障發生。

軸承的應用是一個系統工程,軸承性能與軸承使用安裝有很大關系。為了保證軸承的使用壽命,軸承座、軸等零件的加工制造質量應高度重視。筆者建議,鐵路貨車輪對軸承承載鞍的承載面制造完成后,對承載鞍與軸承接觸的外表面進行拋光、打磨等處理,去除制造過程中產生的異物凸起,確保承載鞍與軸承外徑接觸良好。