地鐵軸箱用雙列圓柱滾子軸承失效分析

夏仁善，宗曉明，張玉鈴

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003）

0 概述

目前國內(nèi)地鐵軸箱軸承多采用雙列圓柱滾子軸承，廣州地鐵5號線采用日本進(jìn)口的NSK 120JRF軸承，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在應(yīng)用中監(jiān)測到溫度異常情況，對其進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)軸承潤滑脂干涸，保持架斷裂問題。地鐵車輛軸箱軸承對列車的安全運(yùn)營起著舉足輕重的作用[1-3]。本文對軸承的失效原因進(jìn)行了分析，從軸承宏觀外貌、尺寸、潤滑脂和損傷微觀形貌等方面對NSK 120JRF失效軸承進(jìn)行檢驗[4]，分析其失效原因，為同類問題的解決提供理論基礎(chǔ)與應(yīng)用經(jīng)驗。

圖1 軸箱雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1 軸承檢驗

1.1 軸承外觀檢驗

送樣NSK 120JRF軸承外觀如圖2～5所示，從圖中，可以看出：

圖2 清洗前軸承外觀

（1）軸承主要損傷為潤滑脂變黑、變干和保持架斷裂。

（2）結(jié)合軸承滾子、滾道接觸痕跡，可判斷軸承保持架未斷裂的為B列，保持架斷裂的為A列；

（3）軸承B列潤滑脂干涸呈黑土狀，保持架未斷裂，內(nèi)滾道存在多處小面積損傷痕，滾子外徑面與內(nèi)滾道對應(yīng)位置存在周向磨損痕跡和壓痕，外圈外側(cè)滾道面與內(nèi)滾道對應(yīng)位置存在磨損痕跡，痕跡較滾子輕。

（4）軸承A側(cè)潤滑脂呈黑色油泥狀，保持架斷裂為4段，4粒滾子脫出，未斷裂窗孔內(nèi)徑窗孔邊角處大多存在裂紋，滾子和內(nèi)、外滾道接觸面無明顯損傷和變色，僅見接觸摩擦痕跡。

（5）軸承外圈外徑面載荷區(qū)存在腐蝕痕跡，無明顯粘著和變形。

（6）軸承潤滑脂顏色呈炭黑色，推測潤滑脂可能碳化或由外部污物進(jìn)入，其余各零件及各工作面未見明顯異常。

通過軸承外觀檢查，送樣軸承主要失效為潤滑脂變質(zhì)和保持架斷裂。

圖3 清洗后軸承各零件

圖5 清洗后保持架斷裂位置形貌

1.2 軸承尺寸檢測

由于軸承已經(jīng)損壞，僅對軸承配合尺寸和保持架窗孔尺寸進(jìn)行檢測，結(jié)果如表1。通過檢測結(jié)果分析，軸承相關(guān)尺寸無明顯異常。

1.3 軸承外側(cè)保持架探傷

對送檢軸承未斷裂保持架進(jìn)行著色探傷，檢查是否存在微裂紋。通過著色探傷檢查，保持架未發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖6所示。

圖6 未斷裂保持架探傷檢測

1.4 保持架斷口和滾道損傷分析

采用線切割從送檢軸承內(nèi)圈B列滾道面上的損傷區(qū)域（圖4）切取試樣，并從斷裂的保持架中選取磨損輕微的斷口試樣，將兩個試樣經(jīng)超聲波清洗和烘干后，依次放入JSM-6380LV掃描電鏡中進(jìn)行變倍觀察，結(jié)果見圖7～8。

圖4 清洗后內(nèi)圈滾道（左A右B）

圖7 內(nèi)圈B列滾道面上損傷區(qū)形貌

圖8 保持架斷口擴(kuò)展區(qū)低倍形貌與疲勞裂紋形貌

由掃描電鏡形貌可知：

（1）內(nèi)圈B列滾道面上的損傷是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中外來硬質(zhì)顆粒造成的表面擠壓造成的。

（2）保持架局部斷口形貌表明是其斷裂模式為疲勞斷裂，由于局部因過載形成解理斷裂并在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中逐步擴(kuò)展。

1.5 軸承潤滑脂檢驗

從送樣軸承零件上對附帶的潤滑脂取樣，發(fā)現(xiàn)銅含量均較高，分別為3.7%和4.5%，其余元素?zé)o明顯異常。銅可能來源于外部也可能是軸承內(nèi)側(cè)保持架斷裂產(chǎn)生。

2 檢驗結(jié)果及分析

通過上述檢驗，結(jié)果如下：

（1）軸承失效模式為潤滑脂變質(zhì)，A列保持架疲勞斷裂，B列內(nèi)圈滾道面硬質(zhì)物侵入造成的擠壓損傷以及由擠壓傷引起的局部表面起源型剝落。

（2）結(jié)合軸承各部位及零件損傷程度，潤滑脂失效最為嚴(yán)重，而B列內(nèi)圈滾道面和滾子損傷較輕，結(jié)合B列內(nèi)圈滾道面和滾子的損傷為擠壓傷，可推測軸承內(nèi)圈滾道面和滾子的損傷為后發(fā)失效。

（3）軸承潤滑脂元素檢驗結(jié)果顯示，軸承A、B側(cè)潤滑脂中銅含量均較高，A側(cè)銅含量高于B側(cè)應(yīng)該是保持架斷裂磨損所致，B側(cè)銅含量也較高可能來自外部也可能來自保持架斷裂磨損。軸承B側(cè)潤滑脂干涸，A側(cè)潤滑脂呈油泥狀，都已完全失效，但B側(cè)變質(zhì)較A側(cè)更嚴(yán)重，而保持架斷裂為A列，推測潤滑脂失效非保持架斷裂引發(fā)。

（4）結(jié)合委托方提供的現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有軸承B側(cè)密封處存在外界污染物入侵現(xiàn)象的信息，以及送樣軸承B側(cè)潤滑脂較A側(cè)變質(zhì)更加嚴(yán)重和軸承滾子、滾道未見明顯高溫的現(xiàn)象，推測外部污染物進(jìn)入軸承導(dǎo)致潤滑脂失效，進(jìn)而引發(fā)保持架斷裂失效。

（5）通過電鏡檢查，軸承B列內(nèi)圈滾道和滾子損傷為擠壓、剝落和磨損，沒有電蝕損傷特征。

3 結(jié)論

通過對失效軸承外觀、尺寸、掃描電鏡及潤滑脂等檢驗，發(fā)現(xiàn)軸承失效原因是軸承外部污染物進(jìn)入軸承導(dǎo)致潤滑脂失效，進(jìn)而引起軸承保持架斷裂和滾道的損傷。