孫豪杰

(鄭州鐵路局 鄭州機(jī)務(wù)段,河南鄭州450000)

走行部系機(jī)車關(guān)鍵部件之一,軸箱軸承又是走行部的關(guān)鍵件之一,為保證軸箱軸承使用的安全可靠性,機(jī)務(wù)系統(tǒng)對(duì)其實(shí)施了嚴(yán)格的壽命管理,目前軸箱軸承執(zhí)行的使用壽命為80萬km或4年,此壽命與內(nèi)、電機(jī)車大、中修修程均不匹配,為此,《鐵路機(jī)車軸承技術(shù)管理規(guī)范》(試行)規(guī)定:軸承使用壽命到期,而機(jī)車中修或大修未到期時(shí),需頂輪檢測(cè),檢測(cè)合格的軸承允許使用到下個(gè)中修期或大修期再更換。這只是一個(gè)權(quán)宜之計(jì),就客運(yùn)電力機(jī)車而言,現(xiàn)行大修規(guī)程規(guī)定其修制為一中一大的模式,中修公里數(shù)為50—60萬km,輕大修時(shí)則達(dá)到了100—120萬km,這就意味著運(yùn)行中的客運(yùn)電力機(jī)車軸箱軸承普遍存在著超壽命使用的問題,如果現(xiàn)執(zhí)行的使用壽命比較符合軸承質(zhì)量實(shí)際的話,軸承超壽命使用將會(huì)帶來巨大的機(jī)車走行部故障風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)軸箱軸承又是比較昂貴且用量較大的零部件,如果使用壽命期規(guī)定過短,將造成成本費(fèi)用的巨大浪費(fèi),因此無論從安全性還是經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā),探討客運(yùn)電力機(jī)車軸箱軸承均有必要。以可靠性為中心,在保證運(yùn)行安全的前提下,以查設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算所得的軸箱軸承的疲勞壽命為依據(jù)(使用壽命以小于疲勞壽命,留有可靠的安全余量為宜),結(jié)合客運(yùn)電力機(jī)車修制和軸箱軸承檢測(cè)開展情況(保證軸承故障時(shí)有可靠的檢測(cè)手段),來合理延長(zhǎng)軸箱軸承的使用壽命。

1 軸箱軸承分析

(1)軸箱軸承的疲勞壽命

鄭州機(jī)務(wù)段電力機(jī)車目前使用的軸箱軸承型號(hào)為NU 2232WB 、NJ2232WB和NUH J2232WB,通過設(shè)計(jì)手冊(cè)查出它的主要結(jié)構(gòu)尺寸和額定動(dòng)載荷、額定靜載荷及極限轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值,見表1。

表1 軸箱軸承參數(shù)表

求出當(dāng)量動(dòng)載荷P,即求出軸承的疲勞壽命,以SS8型機(jī)車為例。

首先計(jì)算軸承的動(dòng)載荷系數(shù):

式中 fp為動(dòng)載荷系數(shù);ψ為系數(shù),電力機(jī)車可取0.015;D k為動(dòng)輪直徑,取φ1 200 mm;v max為機(jī)車最高速度,取170 km/h。代入式(1)

每一軸承所承受的垂直載荷為:

式(2)中,A為軸重,取220 kN;G為輪對(duì)質(zhì)量及驅(qū)動(dòng)裝置簧下質(zhì)量,取33 kN;ip為每一輪對(duì)的滾子軸承的數(shù)量,取4。代入式(2)得:F V=63.58 kN。

軸箱軸承還應(yīng)計(jì)入在平均運(yùn)行速度v m時(shí),牽引力產(chǎn)生的水平負(fù)荷FH。vm可按設(shè)計(jì)速度vmax的一定百分?jǐn)?shù)來計(jì)算。

當(dāng)v m=0.75V max取100 km/h時(shí),持續(xù)牽引力為126 kN。

計(jì)算軸箱軸承的當(dāng)量載荷Fr:

由計(jì)算得FV=63.58kN,FH=7.88kN,代入式(3):Fr=64.07kN。

對(duì)于圓柱滾子軸承,軸承的當(dāng)量載荷:P=Fr=64.07kN軸承壽命L:

式(4)中ε為壽命指數(shù),取ε=10/3;C為額定動(dòng)載荷,C=Cr=590kN;P=64.07kN;代入式(4):L軸=(590/64.07)10/3=1.62471×109。

計(jì)算行程:

式(5)中D為半磨耗輪徑,取D=1200mm換算為0.0012km;Lm=1.62471×3.14×0.0012×109=6.1×106km。

電力機(jī)車軸箱軸承的疲勞壽命通過計(jì)算得到的Lm=6.1×106km數(shù)倍于現(xiàn)行規(guī)定的使用壽命80萬km,雖然其不等同于軸箱軸承的使用壽命,但從理論計(jì)算可以推論目前所執(zhí)行的軸箱軸承使用壽命偏于保守,延長(zhǎng)使用應(yīng)不成問題,問題的關(guān)鍵是延長(zhǎng)到多少是合適的,依據(jù)是什么?

軸箱軸承作為一種純磨耗元件,按照磨損理論其故障率應(yīng)符合浴盆曲線(見圖1),從圖中可以看出決定其使用壽命的關(guān)鍵在于能否找到它的損耗故障始點(diǎn),首先要確認(rèn)目前所使用的軸箱軸承由于其自身原因?qū)е碌墓收下实降子卸喔?并把它作為圖1中規(guī)定的故障率,把它暫且稱為偶然故障率,這個(gè)故障率是在不改變軸承生產(chǎn)廠家、軸承生產(chǎn)工藝、軸承設(shè)計(jì)、材質(zhì)等基本條件下,只要使用軸箱軸承這種零件就不得不承擔(dān)零件本身所帶來的客觀存在的故障風(fēng)險(xiǎn)水平,如果軸箱軸承運(yùn)行到某一時(shí)期(公里數(shù))由于本身磨損所帶來的故障率較我們規(guī)定的故障率即所謂的偶然故障率明顯上升,這時(shí)可認(rèn)為應(yīng)該是到了軸箱軸承的損耗故障期,此時(shí)的運(yùn)行公里可確認(rèn)為是軸箱軸承能夠?qū)嶋H使用的壽命公里。

(2)軸箱軸承故障分析

軸箱軸承故障后果嚴(yán)重,但即使對(duì)軸箱軸承采取再嚴(yán)格的壽命管理,“0”故障率也是不可能的,軸承故障一方面是由于設(shè)計(jì)、材質(zhì)、加工工藝等軸承本身原因所造成,另一方面是由外部使用環(huán)境因素所造成,從鄭州機(jī)務(wù)段十多年的軸承檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)運(yùn)行中出現(xiàn)的絕大多數(shù)軸承故障是由外部使用環(huán)境因素造成,而非軸承本身原因所致。外部使用環(huán)境因素造成的軸承故障,如果外部環(huán)境不改善,故障并不會(huì)因更換軸承而消除,很可能會(huì)很快再次發(fā)生,如SS8型電力機(jī)車在2000—2002年經(jīng)頂輪檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了大批軸箱軸承電腐蝕故障,對(duì)這些故障軸承均進(jìn)行了換新處理,但很多新?lián)Q的軸承運(yùn)行了2—3個(gè)小修期即20—30萬km時(shí)就再次發(fā)生同樣的故障,后來經(jīng)分析確認(rèn)該型機(jī)車接地裝置存在缺陷,經(jīng)過對(duì)接地裝置改造,此類問題才得到了徹底解決。

圖1 軸箱軸承故障率浴盆曲線

因此降低軸箱軸承故障風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵是要把外部使用環(huán)境因素造成的故障和零件本身原因所帶來的故障區(qū)分開來,并采取不同的解決辦法,而不是簡(jiǎn)單籠統(tǒng)的更換軸承。

(3)確認(rèn)軸箱軸承偶然故障率

自上世紀(jì)90年代以來機(jī)務(wù)系統(tǒng)針對(duì)軸箱軸承開展了多項(xiàng)行之有效的檢測(cè)手段,取得了豐碩的檢測(cè)成果,極大的保證了軸箱軸承的運(yùn)行安全,《鐵路機(jī)車軸承技術(shù)管理規(guī)范》(試行)規(guī)定新品軸承上車、中修下車軸承再上車必須經(jīng)過JL—501軸承檢測(cè)臺(tái)檢測(cè),檢測(cè)合格方準(zhǔn)裝車,就客運(yùn)電力機(jī)車而言,目前其軸箱軸承只經(jīng)過2次軸承檢測(cè)臺(tái)檢測(cè),1次為新品上車前,1次為機(jī)車中修時(shí),后 1次檢測(cè)時(shí)軸箱軸承已運(yùn)行了40—50萬km,已渡過了它的早期故障期且在新品上車前已經(jīng)檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)排除了制造缺陷,這些軸承在經(jīng)過清洗篩查、靜態(tài)檢測(cè)幾何尺寸磨耗合格后由檢測(cè)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行滾動(dòng)試驗(yàn)檢測(cè),以便發(fā)現(xiàn)肉眼根本無法識(shí)別的軸承早期磨損故障,檢測(cè)臺(tái)的中修下車軸箱軸承的檢測(cè)故障率基本上代表了軸箱軸承由于運(yùn)行中的磨損等自身原因?qū)е碌墓收下?可把這一故障率作為軸箱軸承的偶然故障率。

2002—2009年我段501軸承檢測(cè)臺(tái)累計(jì)檢測(cè)SS8型、SS7E型電力機(jī)車中修下車軸箱軸承5268套,合格5039套,不合格229套,故障率為4.3%,可認(rèn)為鄭州機(jī)務(wù)段客運(yùn)電力機(jī)車軸箱軸承偶然故障率應(yīng)為4%左右,由于軸箱軸承故障率符合浴盆曲線,是否可以進(jìn)一步推論:這一故障率在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持基本穩(wěn)定,并不隨其運(yùn)行公里增加而明顯上升。為驗(yàn)證這一推論,對(duì)鄭州機(jī)務(wù)段輕大修客運(yùn)電力機(jī)車下車的軸箱軸承(按現(xiàn)行規(guī)定應(yīng)予以報(bào)廢)進(jìn)行JL—501軸承檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)試驗(yàn)工作,2007—2009年我們累計(jì)檢測(cè)了17臺(tái)份,其中SS8型11臺(tái)份,SS7E型6臺(tái)份,共計(jì)檢測(cè)軸箱軸承312套,合格297套,故障率4.8%,以上17臺(tái)機(jī)車均走行100萬km以上,最長(zhǎng)的已走行119萬km,但這些軸承故障率仍維持在4%左右,據(jù)此可以認(rèn)為:電力機(jī)車軸箱軸承運(yùn)行到120萬km時(shí)仍處于偶然故障期,其壽命可延長(zhǎng)到120萬km乃至更長(zhǎng)。

2 建議

基于上文的分析,結(jié)合現(xiàn)行機(jī)車修制和軸承檢測(cè)的保障情況,建議目前輕大修電力機(jī)車下車軸箱軸承不報(bào)廢仍上原車?yán)^續(xù)使用,使用過程中對(duì)這些軸箱軸承的頂輪檢測(cè)不合格、運(yùn)行故障等情況及時(shí)甄別、統(tǒng)計(jì)、分析,如到一定時(shí)間后此類軸箱軸承由于本身磨損所帶來的故障率大幅上升,這時(shí)可認(rèn)為應(yīng)該是到了軸箱軸承的損耗故障期,此時(shí)的運(yùn)行公里可確認(rèn)為軸箱軸承能夠?qū)嶋H使用的壽命公里,摸清軸承的實(shí)際壽命公里對(duì)提高軸承壽命管理決策的科學(xué)、合理性將大有益處;如軸承在車故障率無明顯上升,繼續(xù)使用至機(jī)車下一中修,中修下車后以4%左右的整臺(tái)份軸承故障率指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行JL—501軸承檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)考核,如能通過仍上車使用直至入機(jī)車工廠廠修,這樣電力機(jī)車軸箱軸承的使用壽命將基本與機(jī)車修程匹配,同時(shí)可節(jié)約巨大的軸箱軸承成本費(fèi)用。

3 保證措施

要想實(shí)現(xiàn)客運(yùn)電力機(jī)車軸箱軸承延長(zhǎng)壽命使用的目標(biāo),規(guī)范的軸承用、管、修等管理制度是根本的基礎(chǔ)保證,只有嚴(yán)格的管理、規(guī)范的檢修、檢測(cè)才能為軸承提供良好的外部使用環(huán)境。

(1)軸承的保管、運(yùn)輸、組裝過程中要嚴(yán)格執(zhí)行《鐵路機(jī)車軸承技術(shù)管理規(guī)范》的相關(guān)要求,運(yùn)輸工具、清洗檢測(cè)場(chǎng)地、組裝場(chǎng)地要保證干凈整潔,避免發(fā)生污染,造成軸承故障;

(2)軸承用脂一方面要規(guī)范,另一方面軸承加脂盡快實(shí)現(xiàn)定量化管理;

(3)嚴(yán)格電磁加熱器下內(nèi)圈制度,嚴(yán)禁使用氧氣烤的辦法下內(nèi)圈;

(4)規(guī)范軸頭接地裝置的檢修,保證機(jī)車接地裝置作用良好,避免軸承發(fā)生電腐蝕;

(5)對(duì)軸承檢測(cè)工作要更加重視,檢測(cè)人員要嚴(yán)格執(zhí)行檢測(cè)工藝,提高業(yè)務(wù)技能,確保軸承故障時(shí)能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并予以消除,避免因軸承嚴(yán)重故障導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

電力機(jī)車軸箱軸承用量巨大,由于其故障率符合浴盆曲線,大量的更換新軸承并不能降低其故障率,相反還存在早期故障頻發(fā)的風(fēng)險(xiǎn),甚至可能會(huì)提高其故障率,因此如能科學(xué)的延長(zhǎng)其使用壽命,不僅節(jié)約巨大的成本費(fèi)用和資源,方便檢修生產(chǎn),對(duì)提高軸箱軸承質(zhì)量的穩(wěn)定也大有好處。

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