高速動車組軸箱軸承滾動體表面異常磨損原因分析

韓慶利,劉超,張曉排,王勇,唐凱強(qiáng)，張偉

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；3.舍弗勒貿(mào)易(上海)有限公司，上海 201804)

在高速動車組中，軸箱軸承是走行部的關(guān)鍵零部件之一，它的運(yùn)行性能直接影響列車運(yùn)行安全[1].裝用圓錐滾子軸箱軸承的某高速動車組，于2008年8月在高鐵京津線首次運(yùn)營，接著2009年12月和2011年在高鐵武廣線、高鐵京滬線上也相繼投入使用.國內(nèi)高速鐵路具有長交路、高速度、多橋隧等特點(diǎn)[2]，使得我國軸箱軸承在運(yùn)用中遇到一些新問題.高速動車組采用的圓錐滾子軸箱軸承，不僅承受較大的徑向載荷，還要承受一定的軸向載荷，是較容易損壞的部件[3].當(dāng)前國內(nèi)高速動車組最高運(yùn)營速度為350 km/h，后續(xù)會有400 km/h的列車投入運(yùn)行[4].速度的提高除了導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架振動、車輪不圓、軸箱磨損加劇外，更惡化了軸箱軸承的受力及潤滑情況，降低了軸承的使用壽命[5].

高速動車組軸箱軸承的運(yùn)行特點(diǎn)及壽命受內(nèi)部因素(如鋼材、加工精度和潤滑脂等)及外部因素(如運(yùn)行線路質(zhì)量、車輛速度、部件安裝及維護(hù)的狀態(tài)、季節(jié)溫度等)影響[6].軸箱軸承既要不斷改善設(shè)計、提升質(zhì)量，也需要用戶及軸承供應(yīng)商共同努力，提升車輛軸箱軸承與相鄰零部件之間的結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)高速鐵路高可靠性和低綜合成本的目標(biāo).

軸箱軸承在高速動車組上完成一個高級修的運(yùn)用后，將進(jìn)入檢修流程.主機(jī)廠聯(lián)合軸承供應(yīng)商統(tǒng)計相關(guān)報廢軸承的失效信息，滾動體表面異常磨損是主要共性問題之一，本文對此進(jìn)行深入分析，以期能夠?yàn)槲覈咚賱榆嚱M更好發(fā)展、運(yùn)用、維護(hù)提供有益幫助.

1 軸承滾動體磨損異常

軸承供應(yīng)商檢修工廠在某段時間內(nèi)對某高鐵軸承檢修時，發(fā)現(xiàn)多批次軸箱軸承滾動體大端面異常磨損，與其他批次相比，檢修合格率較低，滾動體大端面正常磨損和典型異常磨損見圖1.

(a) 正常磨損

圖1(a)為滾動體大端面正常磨損，各部位磨損均勻；圖1(b)除正常運(yùn)轉(zhuǎn)痕跡外，有形似粘著磨損的區(qū)域(白色片狀區(qū)域)，為異常磨損.

2 原因分析

2.1 滾動體大端面與內(nèi)圈大擋邊基本摩擦理論

圓錐滾子軸承內(nèi)部載荷分布及單個滾子受力如圖2所示[7-8].

圖2 圓錐滾子軸承內(nèi)部載荷分布及滾子受力分析

圖2中Qo為外圈滾道徑向載荷，Qi為內(nèi)圈滾道徑向載荷，Qf為內(nèi)圈滾道擋邊載荷，αo為外圈滾道徑向載荷與豎直中心線的夾角，αi為內(nèi)圈滾道徑向載荷與豎直中心線的夾角，αf為內(nèi)圈滾道擋邊載荷與豎直中心線的夾角，F(xiàn)c為滾子離心力.圓錐滾子軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滾動體大端面與內(nèi)圈擋邊之間存在載荷Qf，會出現(xiàn)圖1(a)所示的運(yùn)轉(zhuǎn)痕跡.因此，在對滾動體大端面異常磨損情況進(jìn)行故障樹分析時，需要考慮載荷對端面異常磨損的影響.

2.2 故障樹

針對該批軸箱軸承滾動體大端面異常磨損，建立其故障樹，從內(nèi)、外兩個方面分析，列出可能導(dǎo)致滾動體大端面異常磨損的原因，故障樹如圖3.

圖3 滾動體大端面異常磨損故障樹

內(nèi)部原因：①軸承零部件在組裝過程中有異常載荷作用于滾動體大端面；②軸承零部件在加工過程中，存在端面異常磨削燒傷.

外部原因：①軸箱軸承在裝配完成后的運(yùn)輸過程中或轉(zhuǎn)向架上組裝完成后對組裝好的構(gòu)架或車體進(jìn)行流轉(zhuǎn)過程中，有異常載荷作用于滾動體大端面；②軸箱軸承在轉(zhuǎn)向架安裝的過程中，有異常載荷作用于滾動體大端面；③軸箱軸承隨車正常運(yùn)用中，受到?jīng)_擊或電蝕.

2.3 內(nèi)部原因

2.3.1 軸承組裝

該軸箱軸承檢修工藝過程如圖4所示，無異常載荷作用到滾動體大端面.對組裝好的整套軸箱軸承進(jìn)行自由跌落試驗(yàn)，目視檢查滾動體大端面，未發(fā)現(xiàn)明顯表面缺陷.

圖4 軸承檢修作業(yè)流程

2.3.2 軸承端面磨削

在失效軸承滾動體中，隨機(jī)選出大端面異常磨損的樣本.采用蔡司SIGMA 300掃描電子顯微鏡，利用聚焦極窄的高能電子束掃描樣本表層材料，顯示材料微觀組織結(jié)構(gòu)特征，觀察缺陷形貌特征及表面狀態(tài)，典型檢查結(jié)果見圖5.

圖5是圖1白色框線區(qū)域內(nèi)滾動體大端面表面酸洗后的100倍放大圖，白色區(qū)為滾動體大端面二次硬化區(qū)，為分散的白色小塊，不同于磨削燒傷的深色連續(xù)片狀形貌[9]，表明滾動體大端面在軸承生產(chǎn)加工過程中不存在磨削燒傷缺陷.

圖5 滾動體大端面異常磨損局部放大圖

2.4 外部原因

2.4.1 軸承組裝完成后運(yùn)輸

單獨(dú)發(fā)運(yùn)售后備品輪對，并對該輪對上的四套軸承分解檢查，軸承狀態(tài)完好，無異常壓痕.

運(yùn)輸組裝好的轉(zhuǎn)向架(未落車)分解檢查，發(fā)現(xiàn)有部分軸承失效，失效軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)徑向線狀磨損，軸承內(nèi)圈大擋邊和滾動體大端面存在壓痕，兩者壓痕形態(tài)在外觀上對應(yīng)，如圖6所示.

(a)滾道表面線狀磨損

圖6(a)中數(shù)字1和2分別對應(yīng)滾道表面的兩個線狀磨損，兩個白色箭頭對應(yīng)大擋邊磨損位置，內(nèi)圈滾道表面線狀磨損痕跡與大擋邊表面損傷位置對應(yīng)，判定內(nèi)圈滾道表面線狀磨損痕跡和大擋邊表面損傷相關(guān).

滾道表面線狀磨損和大擋邊表面局部損傷間距相等(數(shù)字1、2間距和兩白箭頭間距相等)，判定該部位初始損傷是在軸承靜止時刻產(chǎn)生的.

圖6(b)和6(c)中，大擋邊表面、滾動體大端面損傷形狀相同，判定兩者損傷同時產(chǎn)生.

綜合以上分析，轉(zhuǎn)向架運(yùn)輸中可能有異常沖擊或振動作用于軸承上，軸承內(nèi)圈滾道和滾子間出現(xiàn)沖擊或振動，使得滾子大端面、滾道徑向、滾道大擋邊對應(yīng)位置產(chǎn)生了磨痕.

2.4.2 軸承壓裝及運(yùn)用

在軸承安裝記錄文件“軸承壓裝尺寸測量記錄”、“軸承壓裝曲線及參數(shù)記錄”中，未發(fā)現(xiàn)軸承壓裝時存在異常.

用蔡司Axio Vert. A1金相顯微觀察軸承內(nèi)圈滾道線狀磨損及附近區(qū)域樣件(采用砂輪切割機(jī)和線切割機(jī)取樣)和滾動體線狀磨損區(qū)域，如圖7和圖8所示.

圖7 線狀痕跡區(qū)域材料表層

圖7中，內(nèi)圈滾道線狀磨損區(qū)域材料表層無明顯組織變化、無跡象表明其上有電流或電壓通過，初步排除“電蝕”.

圖8(a)為帶線狀磨痕的滾動體，正常運(yùn)行痕跡沿滾動體周向分布，而線狀磨痕沿徑向分布；圖8(b)更清晰地顯示出周向運(yùn)行痕跡和異常軸向磨痕，且軸向磨痕在周向運(yùn)行痕跡之上.因此，該壓痕在運(yùn)用之前即產(chǎn)生，應(yīng)為軸承組裝后靜止沖擊造成的.

圖8 滾動體線狀磨損及微觀放大圖

3 安全性分析

分別選取有嚴(yán)重端面壓痕的三套軸承(1#、2#和3#)進(jìn)行溫度跑合試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，試驗(yàn)1結(jié)束后檢查軸承，重新組裝后按正常軸承檢修要求加注新潤滑脂，進(jìn)行試驗(yàn)2，試驗(yàn)方案如表1.

表1 軸承溫度跑合試驗(yàn)方案

圖9給出軸承溫度曲線，圖9(a)中曲線A為1#承載區(qū)絕對溫度；B為2#承載區(qū)絕對溫度；C為1#非承載區(qū)絕對溫度；D為2#非承載區(qū)絕對溫度；E為1#兩側(cè)承載區(qū)溫差；F為2#兩側(cè)承載區(qū)溫差.圖9(b)中曲線A為1#承載區(qū)絕對溫度；B為3#承載區(qū)絕對溫度；C為1#非承載區(qū)絕對溫度；D為3#非承載區(qū)絕對溫度；E為1#兩側(cè)承載區(qū)溫差；F為3#兩側(cè)承載區(qū)溫差.圖10為軸承跑和前、后滾子大端壓痕對比.

(a) 試驗(yàn)1軸承溫度曲線

圖9中T_fail_A是承載區(qū)報警溫度100 ℃，T_warn_A為承載區(qū)預(yù)警溫度90 ℃，T_fail_B為目標(biāo)區(qū)報警溫度80 ℃，T_warn_B為目標(biāo)區(qū)預(yù)警溫度70 ℃，T_threshhold_C_D為閾值溫度50 ℃，deltaT_warn_C_D為溫差預(yù)警(左、右軸承溫度差)20 ℃.從圖中可以看出，試驗(yàn)1中，跑和之初1#軸承承載區(qū)絕對溫度接近90 ℃，隨著試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)遞增，潤滑脂攪拌均勻，溫度逐漸下降，在循環(huán)次數(shù)40之后穩(wěn)定在65 ℃左右，比承載區(qū)預(yù)警溫度低25 ℃；2#軸承承載區(qū)溫度，穩(wěn)定在68 ℃左右，比承載區(qū)預(yù)警溫度低22 ℃.左、右軸承非承載區(qū)溫度均比閾值溫度50 ℃低，穩(wěn)定在40 ℃左右.左、右軸承承載區(qū)溫度均比閾值溫度50 ℃高，比較兩者溫差，在前10次循環(huán)時，溫差在20 ℃左右，隨循環(huán)次數(shù)增加，溫差逐漸減小，在循環(huán)次數(shù)40以后，溫差穩(wěn)定在5 ℃；左、右軸承非承載區(qū)溫差，一直穩(wěn)定在5 ℃左右，未超過10 ℃.

試驗(yàn)2中，1#軸承承載區(qū)最初溫度為78 ℃，隨循環(huán)次數(shù)增加溫度逐漸降低，在10次之后溫度穩(wěn)定在68 ℃左右，比承載區(qū)預(yù)警溫度低22 ℃.3#軸承承載區(qū)溫度一直穩(wěn)定在70 ℃左右，比承載區(qū)預(yù)警溫度低20 ℃.左、右軸承非承載區(qū)溫度均低于閾值溫度50 ℃，穩(wěn)定在40 ℃左右.左、右軸承承載區(qū)溫度均比閾值溫度50 ℃高，二者溫差，試驗(yàn)之初為10 ℃，隨著循環(huán)次數(shù)增加，溫差逐漸減小，在循環(huán)次數(shù)10以后，溫差穩(wěn)定在5 ℃；左右軸承非承載區(qū)溫差一直穩(wěn)定在5 ℃左右，未超過10 ℃.

圖10中，跑和試驗(yàn)前、后滾子大端壓痕形貌與深度并無變化，壓痕未擴(kuò)展，對車輛短期運(yùn)用無影響.車輛實(shí)際運(yùn)用時，應(yīng)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時關(guān)注軸承溫度，掌握各軸承運(yùn)用狀態(tài)；路局應(yīng)定期對動車組進(jìn)行TADS檢測，準(zhǔn)確掌握軸承是否運(yùn)用失效[11].目視檢查，排查磨損軸承，保證每套軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況的運(yùn)用質(zhì)量.

(a) 試驗(yàn)前

4 結(jié)論

針對報廢軸承中的滾動體大端表面異常磨損，依據(jù)滾動體大端面和內(nèi)圈大擋邊摩擦理論，分析了滾動體大端面受力情況，建立了故障樹.通過目測、試驗(yàn)和表面檢測等手段，從五個方面分析了磨損的原因，并對磨損軸承的安全性進(jìn)行了試驗(yàn)和分析.研究發(fā)現(xiàn)：

(1)軸承滾道表面以及滾動體外徑表面線狀磨損痕跡，是由于軸承安裝運(yùn)輸時，軸承受到持續(xù)振動或瞬時沖擊造成的；

(2)軸承受到異常沖擊時，軸承內(nèi)圈大擋邊表面以及滾動體大端面表面會留下微小的傷痕.在運(yùn)用中，若潤滑條件變差，該傷痕會擴(kuò)大，形成局部異常磨損；

(3)短期內(nèi)該異常磨損不會影響車輛運(yùn)營，但運(yùn)用中應(yīng)實(shí)時關(guān)注軸承溫度.TADS檢測中應(yīng)準(zhǔn)確掌握軸承是否運(yùn)用失效，檢修時應(yīng)密切排查磨損軸承，保證軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)用質(zhì)量.