董美娟

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039）

鐵路貨車(chē)軸承引起熱軸的原因分析及改進(jìn)措施

董美娟

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039）

從鐵路貨車(chē)滾動(dòng)軸承的質(zhì)量角度，探討引起鐵路貨車(chē)熱軸的原因。以近兩年來(lái)由滾動(dòng)軸承質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)鐵路貨車(chē)熱軸的實(shí)例為切入點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析鐵路貨車(chē)滾動(dòng)軸承引起熱軸的原因，并提出了改進(jìn)意見(jiàn)，從而降低鐵路貨車(chē)車(chē)輛熱軸概率，提高車(chē)輛運(yùn)行的安全性。

鐵路貨車(chē)；滾動(dòng)軸承；熱軸；原因分析；措施

0 引言

輪軸是鐵路貨車(chē)關(guān)鍵的走行部件，承擔(dān)著軌道車(chē)輛導(dǎo)向、移動(dòng)和承載的功能，直接關(guān)系到鐵路貨車(chē)車(chē)輛的運(yùn)行安全。在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，受到速度、載重、運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，滾動(dòng)軸承經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的運(yùn)行，可能會(huì)發(fā)生磨耗、松弛、銹蝕、裂損等各種形式的故障。故障發(fā)生后如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、消除，就可能引發(fā)熱軸，造成安全事故。

為降低由于滾動(dòng)軸承故障問(wèn)題造成鐵路貨車(chē)熱軸的概率，筆者以鐵路貨車(chē)輪軸軸承為研究對(duì)象，收集了近兩年來(lái)因軸承故障造成的鐵路貨車(chē)熱軸案例，對(duì)故障軸承的失效模式進(jìn)行了辨別，并統(tǒng)計(jì)了各類(lèi)軸承故障引起熱軸的比率，針對(duì)性地提出改進(jìn)預(yù)防措施。

1 案例概況

目前我國(guó)鐵路貨車(chē)輪軸采用的滾動(dòng)軸承以無(wú)軸箱封閉式雙列圓錐滾子軸承為主，當(dāng)前鐵路貨車(chē)應(yīng)用最廣的滾動(dòng)軸承為SKF197726、352226X2-2RZ和353130B型圓錐滾子軸承。本次研究以352226X2-2RZ為對(duì)象，統(tǒng)計(jì)了近兩年由于滾動(dòng)軸承故障引發(fā)的熱軸案例，共49起。通過(guò)對(duì)49套故障軸承的拆解檢測(cè)，確認(rèn)了各故障軸承的失效模式以及引發(fā)熱軸的原因（見(jiàn)表1）。

在本次統(tǒng)計(jì)的鐵路貨車(chē)熱軸案例中，造成軸承發(fā)熱的原因有5方面：1）滾動(dòng)面接觸不良；2）密封失效；3）注脂量超差；4）保持架裂損；5）軸向游隙超限。其中，滾動(dòng)面接觸不良引起熱軸33起，占熱軸原因的67%，是造成熱軸主要原因，其次是密封失效，占23%，2項(xiàng)故障因素占到熱軸原因的90%。按熱軸預(yù)警級(jí)別對(duì)49套故障軸承進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：激熱報(bào)警共11起，其中6起故障原因?yàn)闈L動(dòng)面接觸不良，5起為密封失效；強(qiáng)熱預(yù)警共21起，其中13起由于滾動(dòng)面接觸不良引起，4起軸承故障為密封失效，3起為注脂量超差，1起為軸向游隙超限；其余熱軸預(yù)警均為微熱。

表1 鐵路貨車(chē)軸承熱軸失效模式統(tǒng)計(jì)

由上述統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，滾動(dòng)面接觸不良和密封失效是造成鐵路貨車(chē)滾動(dòng)軸承熱軸的主要因素。該類(lèi)軸承故障發(fā)生概率高且危害性較大，是造成激熱和強(qiáng)熱的主要原因。下面我們就針對(duì)這兩種軸承故障模式及其成因進(jìn)行探討，分析熱軸故障機(jī)理，并提出針對(duì)性的改進(jìn)措施。

圖1 軸承故障類(lèi)別統(tǒng)計(jì)

圖2 熱軸故障原因占比

2 故障模式分析及改進(jìn)措施

2.1 滾動(dòng)面接觸不良

滾動(dòng)面接觸不良是引起熱軸的重要因素。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，本次熱軸案例統(tǒng)計(jì)中由滾動(dòng)面接觸不良引起的軸承失效形式有：滾動(dòng)面邊緣變色、滾道磷化膜磨損并有均勻麻點(diǎn)、滾子碾皮、滾子點(diǎn)蝕、滾子和套圈滾動(dòng)面劃傷、滾子外徑凹痕、滾子和套圈滾動(dòng)面壓痕、滾子外徑周向磨痕。圖3為本次熱軸案例統(tǒng)計(jì)中滾動(dòng)面接觸不良引起的軸承失效形式分布柱狀圖。

圖3 滾動(dòng)面接觸不良引起的軸承失效形式

1）滾動(dòng)面邊緣變色。熱變色是由于溫度升高導(dǎo)致的零件表面產(chǎn)生氧化的現(xiàn)象，變色部位多出現(xiàn)于軸承內(nèi)外滾道面和滾子滾動(dòng)面。熱變色的主要原因有：軸承潤(rùn)滑不良或油脂老化變質(zhì)，密封結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，接觸狀態(tài)不良及工作中存在異常摩擦而導(dǎo)致溫度升高。

在本次統(tǒng)計(jì)的49套故障軸承中有14套軸承發(fā)生了內(nèi)、外圈滾道及滾子滾動(dòng)面邊緣變色，且均為小端滾動(dòng)面變色。我們?cè)?4套小端滾動(dòng)面變色的故障軸承中隨機(jī)抽取了1套樣品進(jìn)行跑合試驗(yàn)，并通過(guò)紅外測(cè)溫儀對(duì)軸承溫度進(jìn)行探測(cè)。跑合試驗(yàn)進(jìn)行至12 min時(shí)軸承出現(xiàn)明顯溫升（溫升6℃），紅外線圖譜顯示軸承中間部位溫度較高（見(jiàn)圖4），說(shuō)明滾子滾動(dòng)面小端是導(dǎo)致異常溫升的熱源部位。

圖4 紅外線圖譜

此外我們又隨機(jī)抽取另外一套故障軸承，分別對(duì)其內(nèi)圈滾道和隨機(jī)抽取的6粒滾子的滾動(dòng)面表面進(jìn)行了殘余應(yīng)力及半寬度檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表2和圖5所示，內(nèi)圈滾道表面殘余應(yīng)力明顯小于滾子滾動(dòng)表面，表明內(nèi)圈發(fā)熱小于滾子。6粒滾子表面半寬度的整體變化趨勢(shì)是在距滾子小端4 mm和6 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn)（低值），說(shuō)明此處的溫升變化高于其它檢測(cè)部位。

表2 殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù) MPa

圖5 滾子半寬度數(shù)據(jù)曲線圖

為分析軸承滾動(dòng)面小端局部發(fā)熱的原因，我們對(duì)14套故障軸承的套圈和滾子進(jìn)行了全項(xiàng)尺寸精度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示故障軸承外圈滾道角度接近或大于標(biāo)準(zhǔn)值上限、內(nèi)圈滾道角度接近或小于標(biāo)準(zhǔn)值下限，而滾子錐角接近或小于標(biāo)準(zhǔn)值下限。當(dāng)軸承工作時(shí)，滾子小端與內(nèi)、外圈滾道發(fā)生局部接觸，軸承內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體承受高頻應(yīng)變力的作用，滾子小端受到內(nèi)、外圈滾道雙向擠壓，使應(yīng)力集中于滾子小端部位，造成滾子小端局部溫度快速升高，進(jìn)而導(dǎo)致軸承內(nèi)部溫度升高，引發(fā)熱軸。

2）套圈滾道磨損及局部麻點(diǎn)。本次統(tǒng)計(jì)案例中共有5套故障軸承套圈出現(xiàn)了內(nèi)、外圈滾道磨損和滾道表面局部麻點(diǎn)，其中引起激熱的2套軸承內(nèi)圈滾道磷化膜幾乎完全磨損。通過(guò)對(duì)故障軸承檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)套圈滾道磷化膜未磨損部分表面粗糙度值明顯大于磷化前滾道表面，磷化膜顯微顯示磷化層表面存在微小晶粒。另外故障軸承潤(rùn)滑脂中非金屬雜質(zhì)含量偏高，說(shuō)明潤(rùn)滑脂受到污染，造成潤(rùn)滑不良。

鐵路貨車(chē)滾動(dòng)軸承首次裝車(chē)后，運(yùn)行初期軸承需要一個(gè)磨合階段。軸承內(nèi)、外圈滾道磷化膜不均勻、粗糙度值過(guò)高，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)面之間的潤(rùn)滑油膜遭到破壞，形成半干摩擦狀態(tài)，引起軸承內(nèi)部異常溫升。另一方面，軸承內(nèi)部清潔度差，潤(rùn)滑脂受到雜質(zhì)污染，在交變應(yīng)力作用下，導(dǎo)致滾動(dòng)面損傷形成麻點(diǎn)，進(jìn)一步增大了軸承滾動(dòng)阻力。兩方面因素相互促進(jìn)，促使軸承內(nèi)部溫度快速升高，最終引發(fā)熱軸。

3）滾子碾皮、點(diǎn)蝕。滾子碾皮和點(diǎn)蝕是軸承疲勞剝落的典型失效形式之一。軸承工作時(shí)，零件工作表面承受高接觸應(yīng)力循環(huán)作用，且套圈和滾動(dòng)體在相對(duì)滾動(dòng)的同時(shí)還存在相對(duì)滑動(dòng)，當(dāng)軸承運(yùn)行一定期限后，易在最大剪應(yīng)力處形成裂紋，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加繼而擴(kuò)展到表層形成剝落。早期疲勞剝落主要受到原材料純凈度、零件表面硬度以及軸承運(yùn)輸和工作中受載情況的影響。

4）其他滾動(dòng)面表面損傷。本次熱軸案例統(tǒng)計(jì)中，3套軸承滾子和套圈滾動(dòng)面存在劃傷，1套軸承滾子外徑有凹痕，1套軸承滾子和套圈滾動(dòng)面壓痕。這4類(lèi)軸承故障均屬于表面機(jī)械性損傷。

在軸承裝配或檢修過(guò)程中由于清潔度差或組裝前清洗介質(zhì)不凈，易導(dǎo)致顆粒狀硬質(zhì)點(diǎn)或灰塵帶入軸承內(nèi)。軸承運(yùn)行過(guò)程中硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)可能造成內(nèi)、外圈滾道面或滾子滾動(dòng)面劃傷或點(diǎn)蝕；當(dāng)軸承受到?jīng)_擊載荷較大時(shí)，滾動(dòng)表面受到硬質(zhì)雜質(zhì)的擠壓易形成壓痕。雜質(zhì)滾動(dòng)面的損傷引起接觸不良，摩擦發(fā)熱，潤(rùn)滑脂黏稠度降低，進(jìn)而導(dǎo)致軸承溫度升高。

2.2 密封失效

在本次的分析案例中，密封失效是引起熱軸的第二大因素，共發(fā)生11起，其中9起熱軸達(dá)到強(qiáng)熱和激熱預(yù)警?？梢?jiàn)密封失效是引起鐵路貨車(chē)軸承熱軸的一個(gè)重要隱患。密封失效的表現(xiàn)形式有密封罩發(fā)生松動(dòng)或脫落、唇口油脂滲漏、密封裝置發(fā)生異常磨損等。

1）密封罩松動(dòng)或脫落。在本次熱軸案例統(tǒng)計(jì)中，11套密封失效軸承中有10套發(fā)生了密封罩松動(dòng)脫出，且9起強(qiáng)熱和激熱預(yù)警均由密封罩松動(dòng)脫出造成。因此如能避免該類(lèi)密封罩松動(dòng)脫出，將有效降低熱軸發(fā)生率，大大提高列車(chē)運(yùn)行的安全性。軸承組裝時(shí)，由于密封罩偏壓或密封罩制造質(zhì)量問(wèn)題容易導(dǎo)致密封罩牙口凸臺(tái)被剪切，造成密封罩與外圈牙口部位配合過(guò)盈量不足。軸承經(jīng)過(guò)一定時(shí)間運(yùn)行后，密封罩會(huì)發(fā)生松動(dòng)。當(dāng)軸承運(yùn)行過(guò)程中受到異常沖擊，也可能造成密封罩脫出。一旦密封罩發(fā)生脫出現(xiàn)象，會(huì)引發(fā)密封罩端面與端蓋（或后擋圈）的內(nèi)平面間產(chǎn)生相對(duì)摩擦，從而引發(fā)熱軸現(xiàn)象。

2）唇口油脂滲漏。由于配合件表面粗糙度差等原因造成密封唇部拉傷或磨損，或密封唇口尺寸不符合要求時(shí)，密封唇部過(guò)盈量不足，易造成運(yùn)行過(guò)程中油脂滲漏，導(dǎo)致潤(rùn)滑不良，進(jìn)而引起套圈與滾動(dòng)體間的干摩擦，極易發(fā)生熱軸。

3）密封裝置發(fā)生異常磨損。在進(jìn)行油封壓裝時(shí)，因設(shè)備調(diào)試、工裝安裝或人員操作不當(dāng)，造成的油封唇口翻卷或密封罩歪斜，導(dǎo)致軸承工作過(guò)程中發(fā)生密封罩異常磨損，引起發(fā)熱。

3 預(yù)防及改進(jìn)措施

針對(duì)上述引發(fā)熱軸的軸承失效原因，為了有效減少熱軸事故發(fā)生率，提出以下幾項(xiàng)改進(jìn)措施：

1）避免滾動(dòng)面局部接觸引起的應(yīng)力集中。在零件加工過(guò)程中控制軸承滾道和滾子角度公差，確保零件實(shí)際尺寸在工藝范圍內(nèi)；在現(xiàn)有工藝條件下，對(duì)內(nèi)、外圈滾道角度進(jìn)行分組，避免發(fā)生外圈滾道角度上偏差與內(nèi)圈滾道角度下偏差組配。

2）提高磷化膜質(zhì)量。磷化前應(yīng)對(duì)零件進(jìn)行徹底清潔，特別是對(duì)于擋邊、油溝等不易清潔部位應(yīng)加大檢查力度，保證零件清潔度良好；改進(jìn)磷化處理工藝，避免粗大磷化結(jié)晶的產(chǎn)生，并對(duì)磷化后零件表面粗糙度進(jìn)行控制。

3）對(duì)熱處理過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，加強(qiáng)零件探傷工作，放置有材料缺陷的軸承投入使用，避免軸承早期疲勞失效的發(fā)生。

4）改進(jìn)軸承包裝，提高包裝防振、防沖擊性能，減少軸承在運(yùn)輸或工作時(shí)受到非正常載荷作用產(chǎn)生的損傷。

5）提高軸承裝配清潔度。確保軸承檢驗(yàn)、裝配工作間的清潔度及裝配前軸承清洗介質(zhì)的潔凈。加強(qiáng)軸承檢測(cè)和裝配過(guò)程中的各項(xiàng)管理，經(jīng)常檢測(cè)和更換軸承清洗介質(zhì)，定期對(duì)軸承清潔度進(jìn)行檢測(cè)，確保達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。軸承裝配過(guò)程中，避免灰塵雜質(zhì)進(jìn)入軸承。

6）保證密封罩的制造精度;嚴(yán)格執(zhí)行組裝技術(shù)要求，認(rèn)真進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查：保證裝配過(guò)盈量，內(nèi)、外油封壓裝后應(yīng)使用油封組件檢查裝置檢查其接觸狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鐵路貨車(chē)輪軸熱軸實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出導(dǎo)致軸承失效的影響因素，統(tǒng)計(jì)分析了各類(lèi)因素的發(fā)生比例、形成原因和影響程度并針對(duì)性地提出改進(jìn)措施。經(jīng)過(guò)1a的試行，取得了良好的效果，有效減少了鐵路貨車(chē)因軸承故障問(wèn)題導(dǎo)致的熱軸，有效提高了鐵路貨車(chē)軸承可靠性。

（編輯 昊 天）

U272

A

1002-2333（2015）10-0260-03

董美娟（1987—），女，助理工程師，主要從事滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)工作。

2015-05-28