高速動車組車軸軸承外圈剝離原因分析及改進

孫中文

(中國鐵路濟南局集團有限公司青島機車車輛監造項目部 山東 青島 266111)

1 軸承外圈剝離的概況

某型號動車組車軸軸承在TADS(音響診斷系統)系統診斷及檢修過程發現，個別軸承外圈在低于壽命周期內發生剝離(見圖1)，行駛里程從9萬km到190萬km不等，同廠家不同的速度等級軸承剝離發生綜合比例約為0.009%，該軸承的壽命周期是240萬km，結構為雙列圓錐滾子軸承，剝離在軸承A列和B列均有發生。

根據統計數據，發生剝離的軸承其疲勞壽命是相當離散的，外圈剝離出現的概率與時間、運行里程沒有必然聯系。外圈剝離一般發生在承載區域，剝離形態基本保持一致。

圖1 軸承外圈剝離圖

2 軸承外圈剝離發生的原因

軸承外圈剝離發生的概率高于內圈和滾子，這是由外圈的工作狀態決定的，外圈的安裝位置是固定的，其承載區位于外圈的上部區域，載荷集中作用于這一區域，其他區域不受力，如圖2所示。而內圈和滾子的承載區是變動的，接觸頻率相等，因此外圈發生剝離的概率高于內圈和滾子。

圖2 軸承外圈承載狀態示意圖

經過對剝離軸承進行原材料化學成分、非金屬夾雜物、金相組織、剝落表面形貌、鋼中氣體分析及硬度檢查，發現多數是次表面起源型的非金屬夾雜物引起的剝離，其次，由表面起源型的網狀碳化物引起的剝離也偶有發生。

滾動軸承在循環應力作用下，滾動體和滾道接觸處產生的重復應力引起組織變化，并在表面下某一深度開始出現顯微裂紋，產生不可逆的結構變化，區域內材料晶格發生滑移，進而萌生疲勞裂紋。顯微裂紋的出現常常是由軸承鋼中的夾雜物引起的，次表層金屬材料中的非金屬夾雜物周圍會受到拉伸和壓縮的交變應力，由于非金屬夾雜物的存在破壞了金屬的連續性，在鋼的基體組織間產生間隔，削弱了周圍的接觸強度，并在交變接觸應力的作用下，在間隔處產生應力集中，形成疲勞源，這種交變應力使非金屬夾雜物區的彈性能變成變形能而產生裂縫，裂縫兩側反復受到擠壓，裂縫沿主應力方向發展，通常向滾動接觸表面擴展，最終導致材料剝離[2]。

2.1 非金屬夾雜物的大小與外圈剝離的關系

夾雜物引起外圈剝離只有滿足一定條件才會發生，剝離通常發生在最大剪切應力的位置，此處深度約為接觸橢圓的短軸半徑1/2處，假定缺陷為圓形缺陷，當該處存在圓盤狀龜裂并且直徑超過龜裂進展臨界直徑時，在最大接觸面壓條件下會發生剝離。

以時速380 km的動車組為例，最大接觸面壓為1.7 GPa，最大剪切應力深度0.21 mm，根據有關資料介紹的最大接觸面壓和龜裂進展的臨界尺寸關系圖，可以查出導致軸承發生剝離的形狀為球狀，非金屬夾雜物的臨界尺寸大約為110 μm。

通過對失效軸承外圈剝離滾道表面剝離核心源區剖面進行變倍觀察，沒有在滾道表面發現非金屬夾雜物，這是由于剝落后軸承繼續運轉剝離源區被擠壓磨損破壞了原始形貌。對實際發生剝離的軸承進行研究分析，發現剝離源區滲碳層近表面下單顆粒夾雜物的大小遠小于臨界尺寸，一般A類(MnS)夾雜物尺寸大小為40～70 μm，D類(氧化物)夾雜物尺寸大小為20 μm左右，為什么在遠小于臨界尺寸時仍發生剝離的原因尚不清楚，這可能與夾雜物的分布與聚集程度有密切關系，密集分布的混合夾雜物可以與尺寸相應大的夾雜物作用相當。

2.2 車輪擦傷(剝離)或車輪失圓對軸承剝離的影響

車輪擦傷或失圓(呈多邊形)后，車輪所承受的沖擊載荷比正常載荷會增加很多，不僅加速了車輪的損壞，還會將沖擊和振動傳給軸承，使軸承承受遠高于正常載荷的沖擊載荷，此時如果超出了軸承允許的接觸疲勞強度，就會造成軸承損壞。

同時，車輪失圓后滾動圓狀態發生變化，車軸的運行軌跡不再是直線，在車軸傾斜情況下,軸承的受力不僅有徑向載荷還會產生軸向載荷,軸向載荷引起偏載,偏載會導致雙列圓錐滾子軸承中的一列軸向游隙趨向為零,受力不再是由兩列軸承平均承擔,而更加偏向于局部，超出了材料的承受能力,會加速軸承剝離的發生。

2.3 安裝精度對軸承剝離的影響

軸承安裝位置如果偏離幾何中心,軸承的受力就會偏向一側，嚴重時雙列滾子中的一列軸向游隙為零，應力不是均勻地分布在雙列滾道面上，而是集中在一邊，形成局部接觸，使軸承一側滾道局部產生過載，造成軸承外圈滾道早期疲勞剝落。有資料顯示，一側軸承軸向游隙為零時的壽命是正常壽命的1/10。

3 降低外圈剝離發生率的對策

3.1 提出更嚴格的非金屬夾雜物及化學成分的要求

有關軸承鋼非金屬夾雜物的GB/T 18254標準對夾雜物的要求是軸承行業的通用要求，檢測數據表明發生剝離的軸承多數是符合標準的，由于高鐵行業對安全要求的特殊性，以及軸承工作環境的復雜性，諸如持續高速運行，彎路和山路較多，地質環境復雜，跨區域溫差變化大等因素，所以僅僅滿足GB/T 1824標準是不夠的，還要提出一些特殊要求。

國標、SKF標準及美國標準對軸承夾雜物的要求，如表1所示可以看出，我國軸承鋼在非金屬夾雜物的控制方面屬國際一般水平，與先進國家相比仍有一定差距。

表1 軸承鋼非金屬夾雜物不同標準合格級別 /級

同時，非金屬夾雜物的檢測，在試樣視場的選取上也有不同，對軸承鋼疲勞性能有重要影響的夾雜物，其位置在接觸疲勞應力(赫茲應力)最大位置區域，在該區域如果存在超過臨界尺寸的夾雜物，或有密集分布的夾雜物等效于臨界尺寸，就可能發生剝離。夾雜物的評判有A法和B法，A法是最惡劣視場評定法，以夾雜物最大尺寸為重點，B法是逐個視場評定法，將每一視場夾雜物的分布、形狀、大小同標準評級圖進行比較，記下最符合的級別，無論A法和B法，僅對夾雜物的種類、尺寸和形狀進行統計，對夾雜物的分布和集聚沒有體現，更沒有對次表面最大接觸疲勞應力處進行針對性檢測。

鋼中殘余氧以B類氧化物及D類點狀不變形夾雜物的形式存在，控制殘余氧含量，間接控制了B類及D類夾雜物的含量。為了降低氧氣質量分數，各軸承鋼生產企業采用各種先進的熔煉工藝使氧氣質量分數盡可能地降低，有資料證明：平均氧氣質量分數為5.7×10-4% 的CC(連鑄軸承鋼的工藝)鋼軸承的額定中值壽命為1 2×106～80×106轉，而平均氧氣質量分數為 8.3×10-4% 的 IC(普通軸承鑄鋼的工藝) 鋼軸承的額定中值壽命為7×106～35×106轉，CC鋼軸承的額定中值壽命大約是IC鋼軸承的額定中值壽命的兩倍[2]。為了減少剝離情況的發生，各軸承廠家對軸承鋼母材的氧氣質量分數提出嚴格限制，有的廠家已經將氧氣質量分數內控標準定為5 ppm以下。

降低鋼中殘余氧氣質量分數對降低夾雜物的影響非常有效，但無限降低殘余氧氣質量分數不僅增加了成本而且也是非常困難的，對此，有資料介紹國外軸承鋼廠采用熱等靜壓(HIP)處理技術，通過提高氧化物與基體的結合力延長滾動軸承的壽命。試驗表明采用熱等靜壓(HIP)處理的低純凈度軸承鋼其軸承壽命可與用高純凈度軸承鋼制造的軸承壽命相當。

3.2 對軸承材料性能提出更高的要求

彎道是客觀存在的，車輛轉彎時，軸承的其中一列滾道難免會承受一定的軸向力和沖擊力，使一側軸承載荷增加、游隙減少，工作條件相對比較惡劣，這就要求軸承有較好的綜合機械性能，尤其是工作表面要有更高的接觸疲勞強度。

過彎道產生的軸向力使其中一列滾子大端面與內圈大端擋邊摩擦，產生熱量引起局部溫升及色澤變化，從兩列滾子殘余應力及殘留奧氏體的差異就能證明，因此，在設計軸承時要充分考慮偏載時滾子大端面潤滑和散熱情況。

目前軸承材料的研發沒有新的突破，軸承生產用鋼基本還是高碳鉻軸承鋼為主，對材料的熱處理工藝非常成熟，質量也很穩定，對其性能要求基本體現在硬度方面，滾子的硬度與內外擋圈硬度相當或略高，對表面硬度的均勻性要求較高，一般同一零件相差不超過2HRC，同一廠家不同速度等級的軸承采用相同的材質，為了適應不同速度等級對軸承的要求，只能通過改變幾何尺寸以及滾子的數量來滿足機械性能方面的要求。

3.3 提高熱處理質量

軸承鋼熱處理的目的是為了獲得一定的表面硬度和內部足夠的支撐，表面淬火硬度和心部淬火硬度依據受力載荷確定，淬火后的硬度分布曲線應高于剪應力分布曲線，剪應力越高，相應的滲碳層也應越深。

有效滲碳層深度低了，不能承受較高應力載荷，過大的滲碳層深度可能伴隨的大塊碳化物及網狀碳化物產生，將會破壞材料的連續性，增加鋼的脆性，降低軸承零件的疲勞壽命。因此合理掌控滲碳層深度是確定滲碳熱處理工藝的重要目標，要經過若干試驗后方可確定。

3.4 使夾雜物密集區移出外圈滾道面

夾雜物往往在最后凝固的地方聚集，鋼錠中心一般是夾雜物最多的地方，因此，鍛造時考慮將這一部分材料去除是降低夾雜物的一個有效途徑，外圈的形狀特別適合這一方法。

可以通過改進鍛造工藝，改變外圈內表面夾雜物密集區的分布狀態及夾雜物的形狀，使夾雜物密度變得稀疏，形狀變得細長，減小夾雜物的危害。對不能去除的夾雜物也可以通過鍛造時材料位置的移動，使得滾道面附近夾雜物移動到更加靠近端部，抑制滾道面附近非金屬夾雜物的聚集。

3.5 使用超聲波探傷檢出超標非金屬夾雜物

制造軸承時，對每批鋼材進行化學分析，用顯微鏡進行夾雜物檢驗，能夠推測軸承鋼材中夾雜物的大小，但不能直接評價滾道面下部是否存在有害的夾雜物，用無損檢測方式檢測出滾道面下有害的夾雜物，可以防止以夾雜物為起點的剝離，從而延長軸承壽命。

使用超聲波檢測作為軸承成品的最終檢測，使用超聲波對滾道面進行探傷，特別以滾道面下赫茲應力的部位為重點，根據引起剝離的夾雜物的臨界尺寸，確定適宜的超聲波探傷的頻率，檢出內部夾雜物超標的外圈；在實際檢測過程中，利用超聲波對滾道面探傷可以發現70 μm的夾雜物，遠低于引起剝離的非金屬夾雜物的臨界尺寸110 μm。

3.6 提高軸承安裝精度

滾動軸承在安裝過程中，應避免內外圈傾斜，使滾柱在滾道上均勻接觸，避免局部過載現象，同時在軸承的使用過程中，應盡量避免軸承傾斜工作。產生偏載的原因除了與軸箱及軸的強度有關外，還與軸箱與軸零件之間的配合有關，同時還要考慮整個轉向架的受力在4個軸箱體的分布是否均勻，以及轉向架4個軸箱彈簧高度差是否在允許的范圍內，限制同軸兩輪的輪徑差以減少車軸的傾斜度，避免載荷向一邊傾斜。

3.7 定期鏇輪，減少車輪失圓對軸承的沖擊

經過一段時間的運行以后，車輪的滾動圓會發生一些變化，磨損后滾動圓呈多邊形，有的局部還有擦傷和剝離，對軸承產生激勵、沖擊或引起共振發生，同時，同一軸上兩個輪子直徑超差會產生偏載，增加軸承產生剝離風險，因此要求定期鏇輪。

4 結論

通過分析，導致動車組車軸軸承發生剝離的主要原因有內部原因和外部原因兩個方面。內部原因為非金屬夾雜物超標，外部原因為車輪擦傷(剝離)產生的周期性激勵和安裝不良引起的偏載。可以通過提高軸承鋼熔煉精度、優化鍛造工藝、改進檢測方法、提高安裝精度及定期鏇輪等措施降低或避免軸承剝離的發生。