軸箱軸承外圈剝離失效研究

摘""要：隨著中國動車組的運營時間越來越長，售后現場故障越來越多，很多影響列車行車安全的故障必須得到及時處理，并且要對失效原因進行分析。在現場故障梳理中，發現軸箱軸承失效現象較為嚴重，而且嚴重影響行車安全，需要及時處理。軸箱軸承失效的主要原因是軸箱軸承外圈剝離。為了研究軸箱軸承外圈剝離失效分析，特選取售后的一套故障軸承進行分析。要在充分了解軸承使用的條件、軸承外圍結構的基礎上，弄清事故發生前后的狀況，再結合軸承的損傷情況和多種原因進行考察，就可以防止同類事故的再次發生。研究軸箱軸承外圈剝離失效原因，主要通過檢測傷損部件的金相組織、非金屬夾雜物、化學成分等理化性能，同時檢測軸承油脂性能等來分析。

關鍵詞："外圈剝離""軸承軸箱""可靠性壽命分析""失效分析

中圖分類號：U269

Research"oOn"Peeling"Failure"oOf"Outer"Ring"Stripping"oOf"Axle"Box"Bearing

WANG"Wei

Qingdao"Sifang"Alstom"Railway"Transport"Equipment"Co.Alstom"Sifang"（Qingdao）"Transportation，"Ltd.，"Qingdao，"Shandong"Province，266000"China

Abstract："With"the"increasing"operation"time"of"China's"high-speed"trains"After"more"than"20"years"of"high-speed"development，"there"are"more"and"more"after-sales"on-site"failures."Many"failures"that"affect"train"safety"must"be"dealt"with"in"a"timely"manner，"and"the"causes"of"failure"must"be"analyzedthe"number"of"high-speed"trains"in"China"has"reached"about"4000."During"the"on-site"troubleshooting，"it"was"found"thatIn"daily"maintenance，"A3，"A4，"A5"and"other"levels"of"repair，"failures"of"axle"box"bearings"are"quite"serious"and"seriously"affects"driving"safety，"requiring"timely"handling"always"found."The"main"reason"for"the"failure"of"axle"box"bearings"is"the"peeling"off"of"the"outer"ring"of"the"axle"box"bearings."In"order"to"study"the"failure"analysis"of"outer"ring"peeling"of"axle"box"bearings，"a"set"of"faulty"bearings"from"after-sales"service"was"selected"for"analysis."On"the"basis"of"fully"understanding"the"conditions"of"bearing"use"and"the"peripheral"structure"of"the"bearing，"it"is"necessary"to"clarify"the"situation"before"and"after"the"accident，"and"then"investigate"the"damage"situation"and"various"reasons"of"the"bearing"to"prevent"similar"accidents"from"happening"again.""As"a"key"safety"component"of"the"walking"part，"there"are"many"reasons"for"its"failure，"such"as"wear"failure，"fatigue"failure，"lubrication"failure，"overheating"failure，"etc."The"study"on"the"failure"reasons"of"outer"ring"peeling"of"axle"box"bearings"mainly"analyzes"the"physical"and"chemical"properties"of"damaged"parts，"such"as"metallographic"structure，"non-metallic"inclusions，"chemical"composition，"and"the"performance"of"bearing"grease.main"characteristic"of"failure"is"bearing"delamination."Therefore，"it"is"particularly"important"to"analyze"the"causes"of"the"outer"ring"peeling"failure"of"the"axle"box"bearing"when"it"fails."This"article"will"introduce"the"reasons"and"key"parameters"for"the"peeling"failure"of"the"outer"ring"of"the"axle"box"bearing.

Keywords："："Outer"ring"peelingstripping;"；"bearing"Aaxle"box"bearing;"；Reliability"life"analysis;"；"Failure"analysis

中國高速鐵路的經過20多年的高速發展，中國高速列車既有量已達4"000列左右，在日常維護和A3、A4、A5等各級別修程中總會發現有軸箱軸承失效的故障。軸箱軸承作為走形部關鍵安全部件，其失效原因有很多如磨損失效、疲勞失效、潤滑失效、過熱失效等。本章將通過選取CRH1A的一套故障軸承來進行分析，通過對送檢軸承進行清洗、拆解后，觀察各組件的宏觀形貌。檢查軸承外圈的尺寸變化。在傷損區域切取試樣，采用掃描電鏡對傷損區域微觀形貌和化學成分進行觀察、檢定。依據相關技術要求，檢測傷損部件的金相組織、非金屬夾雜物、化學成分等理化性能[1]；同時，檢測軸承的油脂性能，綜合以上檢測結果，對故障原因進行分析討論，進行軸箱軸承外圈剝離失效分析[2]。

1檢測內容及結果

1.1"微觀形貌觀察與能譜分析

利用掃描電鏡，觀察圖1中軸承外圈剝離區域的微觀形貌，并對銹蝕痕跡區域進行能譜分析，如圖1所示。

由圖1（a），可見在淺表層的貝紋狀疲勞擴展區域內有明顯銹蝕痕跡；由圖2（b），可見在貝紋狀弧線附近有一處表面疲勞擴展“扇形”特征；由圖1（c）～（f），該位置存在連續的白亮腐蝕產物（根據原子比可知其為Fe2O3）及大量腐蝕微裂紋，并在后續運用過程中不斷擴展。

1.2"金相組織觀察

采用光學顯微鏡，分別觀察故障軸承外圈的顯微組織，如圖2所示。

高碳鉻軸承鋼套圈的正常組織主要由細針狀馬氏體、均勻分布的細小殘留碳化物和少量殘余奧氏體組成。由圖可見故障軸承各組件的表層與心部金相組織符合JB/T34891-2017中的技術要求，且較為均勻。

1.3"非金屬夾雜物分析

依據GB/T"10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含號的測定—標準評級圖顯微檢驗法》方法要求對故障側軸承組件進行非金屬夾雜物檢測并評級，結果見表1。

1.4"化學成分檢測

參考國內GB/T"4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》的方法要求檢測軸承各金屬組件的化學成分，檢測位置為故障側各組件心部，軸承故內側組件的結果見表2[3]。

1.5"油脂檢測

根據TB/T"3017.1附錄D收集軸承Ⅱ內部不同部位的油脂，可見油脂中有明顯的金屬碎屑。按照含水量、元素含量分析的相關標準要求進行檢測，結果如表3所示。其中，采用原子發射光譜法檢測直徑lt;10μm的粒子；采用X熒光光譜法檢測直徑gt;10μm的粒子。

由表3，可見故障軸承內側組件及中隔圈處的大粒徑Fe顆粒含量較高，應為發生剝離所致；同時，軸承內側及中部獲得的油脂含水量均高于運用經驗值0.1%。

2"分析與討論

拆解清洗故障軸承后，發現外圈承載區內側滾道面上存在一處長約140mm、全滾道寬度的剝離區，靠近中部位置呈現“貝紋狀”近表層疲勞弧線向表面擴展的特征；同時，內側組件的滾動工作面可見明顯的銹蝕痕跡和大量的表面剝離凹坑[4]。

微觀形貌觀察結果表明，“貝紋狀”穩態疲勞擴展弧線中心的裂紋源區域，在后續滾動接觸作用下被碾平；同時，在淺表層剝離斷口內部還存在從腐蝕區域萌生的“扇形”表面疲勞裂紋。采用微區化學成分的能譜分析，發現痕跡上的化學成分未發現明顯的堿性或酸性腐蝕離子存在；結合軸承內側組件和中隔圈處油脂的含水量偏高這一結果，推測軸承發生剝離的原因可能與密封不良導致水汽進入故障軸承內部有關[5]。若水汽的進入軸承內部，在運用載荷的持續作用下引起表面疲勞剝離。最終，由于軸承內部的運行狀態持續惡化、產生異常振動，引發故障報警。

3"結語

目前，送檢軸承外圈發生疲勞剝離的原因均為腐蝕所致，可能與水汽進入軸承內部有關。若有水汽進入，一方面會改變油脂性能、引起油潤不良，增大外圈承載區所受的滾動接觸應力，使滾道面近表層萌生疲勞裂紋、不斷擴展直至剝離，同時還會加劇故障側組件間的異常磨損、誘發環形條紋；另一方面也會造成軸承金屬組件的腐蝕，產生腐蝕產物、萌生腐蝕微裂紋，并在運用載荷作用下引發表面疲勞剝離，最終導致軸承失效。不同軸箱軸承外圈剝離的誘因有多種，需要結合試驗測試分析具體剝離原因。

參考文獻

[1]"孫中文.高速動車組車軸軸承外圈剝離原因分析及改進[J].軌道交通裝備與技術，2021（4）：51-53，60.

[2]"張阿中，劉建新，蔡久鳳.高速列車齒輪箱軸承剝離故障振動分析[J].機械傳動，2020，44（12）：132-136，145.

[3]"儀欣，楊春峰.圓錐滾子軸承滾子剝離失效分析[J].哈爾濱軸承，2024，45（1）：41-43.

[4]"黃洪鐘，蔡吳斌，楊圓鑒，等.動車組軸承及其可靠性研究進展[J].電子科技大學學報，2023，52（3）：458-474.

[5]"王紅力.基于動力學—數據驅動模型分析的高速列車軸箱軸承故障診斷研究[D].石家莊鐵道大學，2023.