尤紹軍

(瓦房店軸承集團有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，遼寧 瓦房店 116300)

鐵路客車軸承是保證鐵路客車正常運行的關(guān)鍵部件，其在鐵路客車運行過程中最易失效，早期失效事故屢有發(fā)生，且?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失甚至安全事故。為提高其可靠性，降低其早期失效事故率始終是鐵路客車軸承研究的重要課題?，F(xiàn)對鐵路客車用NJ3226軸承的早期失效進行分析，以期找到改進辦法。

1 早期失效模式統(tǒng)計

鐵路客車車軸每端各安裝一套NJ3226和NJP3226軸承(圖1)，軸承除承受車體全部重量外，還要承受客車運行過程中產(chǎn)生的軸向和徑向沖擊載荷。

圖1 鐵路客車軸承在車軸上的裝配圖

NJ3226和NJP3226軸承于2005年11月至2009年8月間發(fā)生的共40例早期失效事故，失效形式全部是滾道早期疲勞剝落。這些軸承實際裝車運行時間均不到2年，產(chǎn)生早期疲勞剝落的比例約為0.2%。發(fā)生早期失效的軸承主要是NJ3226，占失效軸承總數(shù)的96%，內(nèi)滾道疲勞剝落所占比例為87%，疲勞剝落主要發(fā)生在距擋邊約8 mm滾道處，如圖2所示。外滾道和滾子的早期剝落也主要發(fā)生在與內(nèi)圈對應(yīng)的滾道部位。早期失效的NJ3226和NJP3226軸承按失效模式的分類統(tǒng)計見表1。

圖2 NJ3226內(nèi)圈滾道早期疲勞剝落照片

表1 鐵路客車軸承早期失效分類統(tǒng)計

2 失效分析

早期疲勞剝落主要發(fā)生在NJ3226軸承內(nèi)滾道距擋邊約8 mm處，非常有規(guī)律，這說明軸承的過早失效有系統(tǒng)因素的作用。而由磨削燒傷和材料缺陷造成的早期疲勞剝落應(yīng)在滾道上隨機分布。對多件NJ3226和NJP3226失效零件進行檢驗分析，未發(fā)現(xiàn)任何磨削燒傷和材料缺陷，故早期失效不是由磨削燒傷和材料缺陷所致。

對早期失效軸承和正常軸承的內(nèi)、外圈熱處理質(zhì)量進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)早期失效軸承的熱處理質(zhì)量良好，與正常軸承的熱處理質(zhì)量無明顯差別，說明軸承的早期失效不是由熱處理質(zhì)量造成的。

對20多套正常軸承的內(nèi)圈、外圈和滾子等零件的幾何尺寸進行了全面檢測，發(fā)現(xiàn)NJ3226內(nèi)圈滾道的素線兩端均向下傾斜約1～2 μm(設(shè)計為直線)，過渡區(qū)正好位于距內(nèi)圈擋邊8～10 mm的滾道處(圖3)；滾子素線有過修正的問題，其兩端有約8 mm的斜坡(圖4)，設(shè)計的滾子素線如圖5所示。對滾子素線形狀進行糾正后，仍沒有解決問題，但可以肯定NJ3226軸承滾子和內(nèi)滾道的素線的加工質(zhì)量是造成其過早失效的系統(tǒng)因素之一。由于軸承的過早失效率非常低，因此，從上述分析可知，NJ3226軸承的過早失效是由復(fù)雜的多因素耦合作用的結(jié)果。

圖3 NJ3226內(nèi)圈滾道素線

圖4 NJ3226滾子素線

圖5 滾子設(shè)計的外形尺寸

3 受力分析

車軸的運動受力狀態(tài)如圖6所示。圖中F1，F(xiàn)4是車軸受到的徑向沖擊載荷；F2，F(xiàn)5是鐵路客車質(zhì)量對車軸的壓力；F3，F(xiàn)6是鐵路客車車輪對車軸的支持力；F7是軸向沖擊載荷。F2，F(xiàn)5分別與F3，F(xiàn)6平衡；M1，M2是F2與F3和F5與F6由于作用點不同而產(chǎn)生的附加力矩，使車軸產(chǎn)生一定的撓曲變形，如圖7所示。軸向和徑向沖擊載荷是變化載荷，其值受路況、客車載質(zhì)量和運行速度等影響。F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5通過安裝在車軸端的NJ3226和NJP3226軸承傳遞給車軸。

圖6 車軸的運動受力狀態(tài)

圖7 車軸的撓曲變形

不考慮鐵路客車車軸的撓曲變形時，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5在軸承NJ3226和NJP3226內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力分布如圖8所示(這里僅分析了內(nèi)圈的應(yīng)力分布，外圈和滾子的應(yīng)力分布與此對稱)。

圖8 內(nèi)圈應(yīng)力分布狀態(tài)

圖9 車軸撓曲變形引起的軸承內(nèi)部應(yīng)力集中

圖10 滾子的受力狀態(tài)

此外，多數(shù)用戶在安裝時，一般選擇NJ3226的內(nèi)圈滾道直徑比NJP3226的內(nèi)圈滾道直徑大0.005 mm，以便增加NJ3226內(nèi)圈的受力，減小軸頸的撓曲變形。任何接觸應(yīng)力的增加，都可能導(dǎo)致軸承疲勞壽命的急劇降低[1]。因此，這個措施也是造成鐵路客車軸承早期疲勞剝落主要發(fā)生在NJ3226軸承上的因素之一。

4 結(jié)果與分析

鐵路客車軸承發(fā)生早期疲勞剝落的比例約為0.2%，這說明，在軸承運行狀態(tài)正常的情況下，雖然有導(dǎo)致NJ3226軸承過早失效的系統(tǒng)因素存在，但這些系統(tǒng)因素不足以導(dǎo)致軸承產(chǎn)生早期疲勞剝落，而是其與另外一個或幾個偶然因素疊加導(dǎo)致了極小比例的鐵路客車軸承的早期疲勞失效。這些偶然因素分為以下兩種類型。(1)軸承各零件加工尺寸的離散性。例如，NJP3226，NJ3226軸承徑向游隙為0.12～0.17 mm，如果配對使用的NJP3226，NJ3226一對軸承中，NJP3226軸承徑向游隙較大，而NJ3226軸承的徑向游隙較小，必然導(dǎo)致NJ3226軸承承受的載荷增加，NJP3226軸承承受的載荷減小。(2)軸承的材料、熱處理、磨削燒傷等質(zhì)量缺陷。例如材料內(nèi)部的細小夾雜物、輕微的網(wǎng)狀和帶狀碳化物、局部輕微的脫貧碳和局部輕微的燒傷等。這些質(zhì)量缺陷會導(dǎo)致NJ3226內(nèi)圈滾道疲勞強度降低。

5 改進措施及效果

(1)嚴格控制NJ3226，NJP3226軸承的徑向游隙，防止配對軸承由于徑向游隙偏差導(dǎo)致NJ3226承受的載荷進一步增加，提高載荷在NJ3226， NJP3226軸承之間分布的均勻性。

(2) 在組配安裝軸承時，不應(yīng)使NJ3226軸承內(nèi)圈滾道直徑比NJP3226軸承內(nèi)圈滾道直徑大0.005 mm。

(3)嚴格控制NJ3226內(nèi)圈滾道的傾斜度在公差之內(nèi)，該傾斜度從擋邊到小端面應(yīng)由低到高。

(4)杜絕NJ3226軸承內(nèi)圈滾道素線兩端向下傾斜。

(5)嚴格按圖紙加工滾子素線形狀，防止?jié)L子素線的過修正。

(6)減小軸承內(nèi)圈、外圈和滾子等零件尺寸公差和形位公差的離散性。

通過對軸承生產(chǎn)和安裝的嚴格控制，NJ3226和NJP3226軸承早期失效事故率降低了60%。

6 結(jié)束語

通過對NJ3226鐵路客車軸承早期失效案例的分析，認為該軸承極小比例的早期失效是軸承滾子和內(nèi)滾道素線的加工質(zhì)量及鐵路客車車軸的撓曲變形這些系統(tǒng)因素與軸承各零件加工尺寸的離散性和軸承的材料、熱處理、磨削燒傷等質(zhì)量缺陷這些偶然因素疊加耦合造成的。通過對軸承生產(chǎn)和安裝的嚴格控制，可以有效地提高鐵路客車軸承的可靠性。