客運電力機車軸箱軸承使用壽命探討

孫豪杰

(鄭州鐵路局 鄭州機務段,河南鄭州450000)

走行部系機車關鍵部件之一,軸箱軸承又是走行部的關鍵件之一,為保證軸箱軸承使用的安全可靠性,機務系統對其實施了嚴格的壽命管理,目前軸箱軸承執行的使用壽命為80萬km或4年,此壽命與內、電機車大、中修修程均不匹配,為此,《鐵路機車軸承技術管理規范》(試行)規定:軸承使用壽命到期,而機車中修或大修未到期時,需頂輪檢測,檢測合格的軸承允許使用到下個中修期或大修期再更換。這只是一個權宜之計,就客運電力機車而言,現行大修規程規定其修制為一中一大的模式,中修公里數為50—60萬km,輕大修時則達到了100—120萬km,這就意味著運行中的客運電力機車軸箱軸承普遍存在著超壽命使用的問題,如果現執行的使用壽命比較符合軸承質量實際的話,軸承超壽命使用將會帶來巨大的機車走行部故障風險,同時軸箱軸承又是比較昂貴且用量較大的零部件,如果使用壽命期規定過短,將造成成本費用的巨大浪費,因此無論從安全性還是經濟性的角度出發,探討客運電力機車軸箱軸承均有必要。以可靠性為中心,在保證運行安全的前提下,以查設計手冊計算所得的軸箱軸承的疲勞壽命為依據(使用壽命以小于疲勞壽命,留有可靠的安全余量為宜),結合客運電力機車修制和軸箱軸承檢測開展情況(保證軸承故障時有可靠的檢測手段),來合理延長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

鄭州機務段電力機車目前使用的軸箱軸承型號為NU 2232WB 、NJ2232WB和NUH J2232WB,通過設計手冊查出它的主要結構尺寸和額定動載荷、額定靜載荷及極限轉速的具體數值,見表1。

表1 軸箱軸承參數表

求出當量動載荷P,即求出軸承的疲勞壽命,以SS8型機車為例。

首先計算軸承的動載荷系數:

式中 fp為動載荷系數;ψ為系數,電力機車可取0.015;D k為動輪直徑,取φ1 200 mm;v max為機車最高速度,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為輪對質量及驅動裝置簧下質量,取33 kN;ip為每一輪對的滾子軸承的數量,取4。代入式(2)得:F V=63.58 kN。

軸箱軸承還應計入在平均運行速度v m時,牽引力產生的水平負荷FH。vm可按設計速度vmax的一定百分數來計算。

當v m=0.75V max取100 km/h時,持續牽引力為126 kN。

計算軸箱軸承的當量載荷Fr:

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

對于圓柱滾子軸承,軸承的當量載荷:P=Fr=64.07kN軸承壽命L:

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

計算行程:

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。

電力機車軸箱軸承的疲勞壽命通過計算得到的Lm=6.1×106km數倍于現行規定的使用壽命80萬km,雖然其不等同于軸箱軸承的使用壽命,但從理論計算可以推論目前所執行的軸箱軸承使用壽命偏于保守,延長使用應不成問題,問題的關鍵是延長到多少是合適的,依據是什么?

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鍵在于能否找到它的損耗故障始點,首先要確認目前所使用的軸箱軸承由于其自身原因導致的故障率到底有多高,并把它作為圖1中規定的故障率,把它暫且稱為偶然故障率,這個故障率是在不改變軸承生產廠家、軸承生產工藝、軸承設計、材質等基本條件下,只要使用軸箱軸承這種零件就不得不承擔零件本身所帶來的客觀存在的故障風險水平,如果軸箱軸承運行到某一時期(公里數)由于本身磨損所帶來的故障率較我們規定的故障率即所謂的偶然故障率明顯上升,這時可認為應該是到了軸箱軸承的損耗故障期,此時的運行公里可確認為是軸箱軸承能夠實際使用的壽命公里。

(2)軸箱軸承故障分析

軸箱軸承故障后果嚴重,但即使對軸箱軸承采取再嚴格的壽命管理,“0”故障率也是不可能的,軸承故障一方面是由于設計、材質、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境因素所造成,從鄭州機務段十多年的軸承檢測經驗,總結運行中出現的絕大多數軸承故障是由外部使用環境因素造成,而非軸承本身原因所致。外部使用環境因素造成的軸承故障,如果外部環境不改善,故障并不會因更換軸承而消除,很可能會很快再次發生,如SS8型電力機車在2000—2002年經頂輪檢測發現了大批軸箱軸承電腐蝕故障,對這些故障軸承均進行了換新處理,但很多新換的軸承運行了2—3個小修期即20—30萬km時就再次發生同樣的故障,后來經分析確認該型機車接地裝置存在缺陷,經過對接地裝置改造,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險的關鍵是要把外部使用環境因素造成的故障和零件本身原因所帶來的故障區分開來,并采取不同的解決辦法,而不是簡單籠統的更換軸承。

(3)確認軸箱軸承偶然故障率

自上世紀90年代以來機務系統針對軸箱軸承開展了多項行之有效的檢測手段,取得了豐碩的檢測成果,極大的保證了軸箱軸承的運行安全,《鐵路機車軸承技術管理規范》(試行)規定新品軸承上車、中修下車軸承再上車必須經過JL—501軸承檢測臺檢測,檢測合格方準裝車,就客運電力機車而言,目前其軸箱軸承只經過2次軸承檢測臺檢測,1次為新品上車前,1次為機車中修時,后 1次檢測時軸箱軸承已運行了40—50萬km,已渡過了它的早期故障期且在新品上車前已經檢測臺檢測排除了制造缺陷,這些軸承在經過清洗篩查、靜態檢測幾何尺寸磨耗合格后由檢測臺對其進行滾動試驗檢測,以便發現肉眼根本無法識別的軸承早期磨損故障,檢測臺的中修下車軸箱軸承的檢測故障率基本上代表了軸箱軸承由于運行中的磨損等自身原因導致的故障率,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軸承檢測臺累計檢測SS8型、SS7E型電力機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%,可認為鄭州機務段客運電力機車軸箱軸承偶然故障率應為4%左右,由于軸箱軸承故障率符合浴盆曲線,是否可以進一步推論:這一故障率在相當長的時間內保持基本穩定,并不隨其運行公里增加而明顯上升。為驗證這一推論,對鄭州機務段輕大修客運電力機車下車的軸箱軸承(按現行規定應予以報廢)進行JL—501軸承檢測臺檢測試驗工作,2007—2009年我們累計檢測了17臺份,其中SS8型11臺份,SS7E型6臺份,共計檢測軸箱軸承312套,合格297套,故障率4.8%,以上17臺機車均走行100萬km以上,最長的已走行119萬km,但這些軸承故障率仍維持在4%左右,據此可以認為:電力機車軸箱軸承運行到120萬km時仍處于偶然故障期,其壽命可延長到120萬km乃至更長。

2 建議

基于上文的分析,結合現行機車修制和軸承檢測的保障情況,建議目前輕大修電力機車下車軸箱軸承不報廢仍上原車繼續使用,使用過程中對這些軸箱軸承的頂輪檢測不合格、運行故障等情況及時甄別、統計、分析,如到一定時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,這時可認為應該是到了軸箱軸承的損耗故障期,此時的運行公里可確認為軸箱軸承能夠實際使用的壽命公里,摸清軸承的實際壽命公里對提高軸承壽命管理決策的科學、合理性將大有益處;如軸承在車故障率無明顯上升,繼續使用至機車下一中修,中修下車后以4%左右的整臺份軸承故障率指標對其進行JL—501軸承檢測臺檢測考核,如能通過仍上車使用直至入機車工廠廠修,這樣電力機車軸箱軸承的使用壽命將基本與機車修程匹配,同時可節約巨大的軸箱軸承成本費用。

3 保證措施

要想實現客運電力機車軸箱軸承延長壽命使用的目標,規范的軸承用、管、修等管理制度是根本的基礎保證,只有嚴格的管理、規范的檢修、檢測才能為軸承提供良好的外部使用環境。

(1)軸承的保管、運輸、組裝過程中要嚴格執行《鐵路機車軸承技術管理規范》的相關要求,運輸工具、清洗檢測場地、組裝場地要保證干凈整潔,避免發生污染,造成軸承故障;

(2)軸承用脂一方面要規范,另一方面軸承加脂盡快實現定量化管理;

(3)嚴格電磁加熱器下內圈制度,嚴禁使用氧氣烤的辦法下內圈;

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

(5)對軸承檢測工作要更加重視,檢測人員要嚴格執行檢測工藝,提高業務技能,確保軸承故障時能被及時發現并予以消除,避免因軸承嚴重故障導致惡性事故的發生。

4 結束語

電力機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的風險,甚至可能會提高其故障率,因此如能科學的延長其使用壽命,不僅節約巨大的成本費用和資源,方便檢修生產,對提高軸箱軸承質量的穩定也大有好處。

[1]龍洙,權中太.鐵道機車滾動軸承手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1990.

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