鐵路客車軸承疲勞剝落分析

姜長英

(鐵道部駐大連車輛驗收室，遼寧 大連 116300)

鐵路客車軸承是保證客車正常運行的關鍵零部件。隨著鐵路運營速度的不斷提高，軸承的失效問題更加突出。鐵路客車軸承在使用過程中有多種失效形式，其中疲勞剝落占很大比例。下文針對客車軸承的疲勞剝落問題進行分析，并提出相應的改進措施。

1 疲勞剝落機理

鐵路客車軸承在工作時，其內圈、外圈和滾動體之間承受著高頻、交變應力的作用，載荷集中作用在滾動體和套圈接觸面上，產生很大的應力;軸承在旋轉過程中，要承受離心力的作用；套圈和滾動體間還存在滾動摩擦和滑動摩擦，在這些因素的綜合作用下，套圈和滾動體表面疲勞強度低或有微缺陷的地方會首先產生疲勞微裂紋，并逐漸擴展最終形成剝落。總之，疲勞剝落就是零件表面在高接觸應力的循環作用下所產生的材料片狀剝落現象。其形態特征是具有一定的深度和面積，表面呈凹凸不平的鱗狀，具有尖銳的溝角，通常呈疲勞擴展特征的海灘狀條紋。

2 產生疲勞剝落的原因

就現有經驗及現場實際情況分析可知，軸承自身質量和軸承安裝使用是導致軸承疲勞剝落產生的主要原因。

2.1 軸承自身質量

軸承疲勞剝落屬于接觸疲勞性質，就軸承自身質量來說，疲勞剝落主要受軸承自身的強度、韌度、耐磨性及硬度等特性的影響而發生。

2.1.1 鋼中夾雜物

鋼中非金屬夾雜物的存在破壞了金屬的連續性和均勻性，在外界應力作用下，工作表面和近表面上的非金屬夾雜物和材料的基體組織間容易形成疲勞裂紋源，這種裂紋源在應力的作用下隨時間逐漸擴展最終形成疲勞剝落。對26套疲勞剝落的客車軸承進行失效分析，發現有1套軸承內圈剝落附近的夾雜物超標，但尚不能確定是否是由夾雜物引起的剝落。

2.1.2 鋼中碳化物

鋼中碳化物顆粒大且分布不均，網狀碳化物和帶狀碳化物的級別增大都會降低軸承的抗疲勞強度。而殘存于原材料中的碳化物可以通過鍛造過程得到改善，因此，鍛造工序是控制碳化物質量的有效手段。對26套疲勞剝落的客車軸承進行失效分析，雖然未發現碳化物不合格導致剝落的證據，但在其他規格剝落軸承中確實發現有沿碳化物帶分布的剝落源。

2.1.3 微觀缺陷

微觀缺陷主要是指軸承滾道表面和近表面存在的微小不連續缺陷，外觀和磁粉探傷很難發現，但都是應力集中點，在外加應力作用下會逐漸擴展為微裂紋、裂紋，最終形成疲勞剝落。

2.1.4 熱處理質量

由于硬度低、脫碳等熱處理質量原因會導致軸承的抗疲勞強度急劇下降，大大提高了疲勞剝落的可能性。

2.1.5 磨削加工

磨削工序所導致的表面磨削燒傷形式有點狀、柱狀、圓周線狀和面狀等。燒傷會使軸承的硬度和抗疲勞強度急劇下降。在運轉過程中受到交變應力作用時，燒傷部位會形成龜狀裂紋，進而逐步剝落。

2.1.6 滾道加工精度

滾道的尺寸精度、凸度形狀和圓度誤差等會在滾道局部形成應力集中，使軸承在運轉過程中滾道局部所承受的載荷處于非正常狀態，如果載荷超過極限載荷時，也容易局部先出現微裂紋，最后擴展成為疲勞剝落。

2.2 軸承安裝使用

軸承裝配、使用過程中可能產生軸承疲勞剝落的原因有:

(1)軸承裝配時過盈量過大,使軸承游隙減小，載荷增大;軸承的偏斜導致軸承側向載荷過大等安裝不當。

(2)軸承內部有異物導致的滾道劃傷，當載荷過大特別是沖擊載荷過大，如意外緊急停車;軸承的潤滑不良等。

(3)軸或軸箱精度不高。

(4)列車運行的路況出現異常情況使軸承在運轉過程中承受過大的沖擊載荷。

2.3 綜合分析

對26套疲勞剝落的客車軸承進行分析可知，材料、熱處理和組織基本沒有問題，而幾乎所有剝落軸承的運行狀態都不清楚(包括輪對、安裝和潤滑)，因此，僅從軸承制造方面考慮，認為磨削過程中的燒傷和接觸不良是導致疲勞剝落的主要原因。

3 磨削燒傷和接觸不良的原因分析

3.1 磨削燒傷

客車軸承滾道一般分4次磨削，磨削燒傷絕大部分產生于粗磨工序，產生原因主要有：(1)磨削余量過大，其中僅粗磨工序磨削余量就近50%；(2)設備基本是手動操作，存在操作工經驗和熟練程度問題；(3)燒傷檢驗不能做到100%。

燒傷主要由兩方面造成：(1)進刀量大，冷卻不充分，出現面狀燒傷；(2)在粗磨滾道工序試磨首件工件時，因空刀行程調整不當可能出現砂輪撞擊工件的現象，導致極個別套圈工作表面產生磨削燒傷。據統計，粗磨后磨削燒傷率一般在0.2%左右。

粗磨存在輕微燒傷后，眼觀不易發現，雖然經過后期磨削，但仍存在個別深燒傷層不能完全去除，滾道某一點的燒傷會導致此部位抗疲勞能力降低，軸承經過一段時間的運行后，在燒傷部位會形成疲勞剝落。

3.2 接觸不良

接觸不良主要是滾道錐度控制不好，出現漏檢，在軸承使用中產生應力集中，導致一端載荷過大，最終造成疲勞剝落。

4 改進措施

針對上述疲勞剝落產生的原因，并結合實際生產情況，采取有針對性的工藝改進方法。

4.1 燒傷控制

(1)采用硬車代替粗磨工藝，杜絕磨削燒傷。

(2)增強細磨工序磨削酸洗工藝規范，每班次至少檢5個產品。

(3)磨削工序中更換砂輪時，對全部車加工產品進行酸洗檢查。

4.2 磨削形狀控制

(1)終磨工序嚴格控制套圈滾道錐度在0.003 mm以內。

(2)裝配前對滾道錐度進行100%檢測控制，每班對滾道微觀精度進行抽檢。

(3)采用輪廓儀對終磨、超精過程的首件產品滾道微觀精度進行檢測。

另外，改進熱處理工序以提高滾道硬度和抗疲勞強度。

5 結束語

對于鐵路客車軸承要嚴格執行初磨內、外圈的生產工藝，推廣采用硬車的工藝方法，減少由于磨削燒傷而導致的軸承滾道疲勞剝落現象，提高軸承的安全度。要對進行段修和廠修的客車軸承內、外圈進行無損檢測，找出由于燒傷而提前疲勞的軸承，并采取措施，及時避免由于軸承疲勞剝落給鐵路行車造成的危害，確保鐵路運輸和旅客的安全。