機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)油潤滑軸承失效分析與對策

楊振中，梅榮海，阮鴻芳

(中國南車集團(tuán)株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000)

伴隨我國電氣化鐵路建設(shè)，機(jī)車朝著高速重載方向發(fā)展，機(jī)車牽引電機(jī)軸承的潤滑方式也由脂潤滑向油潤滑轉(zhuǎn)變。油潤滑軸承在復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性研究是重載交流機(jī)車安全運(yùn)行的新課題。

油潤滑軸承牽引電動(dòng)機(jī)上線運(yùn)營以來，已出現(xiàn)諸多軸承失效問題，軸承失效可能造成牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)失效，給機(jī)車運(yùn)行安全帶來極大隱患[1]。因此，分析軸承失效的主要原因并采取相應(yīng)的對策，對保障軸承可靠工作和行車安全極為重要[1-3]。

1 軸承潤滑模式

機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、測速裝置和主動(dòng)齒輪等組成。軸承是連接定子和轉(zhuǎn)子的部件，實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械連接[4-5]。

機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端載荷大、速度高，通常采用N332型圓柱滾子軸承。軸承采用稀油飛濺潤滑方式，牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承與機(jī)車齒輪箱共用潤滑油，齒輪箱潤滑油經(jīng)齒輪旋轉(zhuǎn)的離心力甩到齒輪箱頂部擋板處，匯聚后流入軸承外蓋上部的進(jìn)油口，沿進(jìn)油通道進(jìn)入軸承進(jìn)行潤滑，然后從軸承另一側(cè)的油封下部回油口流回齒輪箱。為防止?jié)櫥瓦M(jìn)入電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)部，電動(dòng)機(jī)內(nèi)設(shè)有迷宮腔及氣壓平衡通道。

2 失效軸承的典型特征

對失效軸承進(jìn)行解體檢查，其呈現(xiàn)出的典型失效特征如下：

(1)滾子表面有磨損痕跡，滾子中部呈亮色，兩端呈暗灰色。經(jīng)測量，滾子為啞鈴形，呈現(xiàn)出中部直徑小、兩端直徑大的異常磨損狀態(tài)(圖1)；

圖1 滾子產(chǎn)生異常磨損

(2)滾子、內(nèi)圈及外圈滾道的兩端部均出現(xiàn)了剝落；保持架兜孔處嵌有異物，呈現(xiàn)出嚴(yán)重擦傷的典型失效特征，如圖2所示。

圖2 軸承磨損剝落特征

3 失效原因分析

機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)制造過程和軸承設(shè)計(jì)不存在結(jié)構(gòu)性缺陷，機(jī)車運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的軸承磨損及卡死與軸承潤滑環(huán)境的異常有直接關(guān)系。

3.1 潤滑環(huán)境分析

提取了多個(gè)機(jī)務(wù)段的電動(dòng)機(jī)潤滑油樣本送專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)和軸承公司進(jìn)行檢測分析。結(jié)果表明，軸承產(chǎn)生磨損的主要原因是由于潤滑油中含有大量的礦物質(zhì)硅和金屬顆粒所致。軸承內(nèi)部的污染情況如圖3所示。

圖3 軸承腔內(nèi)的污染情況

前期對軸承潤滑油進(jìn)行檢測統(tǒng)計(jì)，各機(jī)務(wù)段樣本中硅平均含量見表1。

表1 潤滑油中硅的平均含量

對失效保持架嵌入異物進(jìn)行成分檢測，發(fā)現(xiàn)異物中含有SiO2，而砂粒的主要成分即為SiO2，如圖4所示。

圖4 保持架嵌入異物及其成分檢測結(jié)果

3.2 軸承失效分析

軸承處于被污染的潤滑油中運(yùn)行時(shí)，潤滑油中沙塵迅速摩擦切削軸承滾子表面，產(chǎn)生大量的金屬磨損顆粒。灰塵顆粒和金屬磨損顆粒不斷進(jìn)入保持架兜孔(圖5)形成高磨損率的磨損鏈，對滾子中部產(chǎn)生磨損(圖6a)，而保持架越程槽使?jié)L子端部磨損較少，滾子與保持架兜孔面持續(xù)磨損，導(dǎo)致滾子被逐漸磨損成啞鈴形(圖6b)。

圖5 磨粒磨損示意圖

圖6 滾子磨損輪廓曲線

在正常磨損狀況下，滾子表面為均勻磨損。異常磨損狀況下，滾子表面為不均勻磨損，出現(xiàn)兩端高、中間低的啞鈴形，其承載部位移至端部，故滾子端部應(yīng)力增加[6]，如圖7所示。

圖7 啞鈴形滾子受力示意圖

經(jīng)檢測，N332型軸承的啞鈴形滾子端部高點(diǎn)長度L通常為2～5 mm。如圖8所示，經(jīng)有限元分析，當(dāng)L=5 mm時(shí)，滾子端部最大應(yīng)力可達(dá)到2 353 MPa；L=2 mm時(shí)，滾子端部最大應(yīng)力可達(dá)到4 723 MPa；均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滾子和滾道表面材料1 690 MPa的屈服應(yīng)力，必然產(chǎn)生疲勞剝落。滾子、內(nèi)圈及外滾道面的端部先出現(xiàn)剝落，后期剝落區(qū)域從端部向中部擴(kuò)展，如圖9所示。

圖8 啞鈴形軸承滾子應(yīng)力分析

圖9 軸承剝落實(shí)物圖

綜上所述可知，因齒輪箱潤滑油受到污染，使軸承潤滑條件變差，造成軸承異常磨損，最終導(dǎo)致軸承剝落及卡死。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)軸承失效原因，提出相應(yīng)的改善措施如下：

(1)改變牽引電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通往外界大氣的氣流入口方向(圖10)，防止外部沙塵經(jīng)氣壓平衡通道進(jìn)入牽引電動(dòng)機(jī)油潤滑系統(tǒng)；

圖10 通風(fēng)管改變氣流入口方向示意圖

(2)優(yōu)化牽引電動(dòng)機(jī)密封結(jié)構(gòu)，改變密封裝置與轉(zhuǎn)軸的間隙，阻止外部粉塵經(jīng)迷宮式密封裝置進(jìn)入牽引電動(dòng)機(jī)油潤滑系統(tǒng)；

(3)使用過濾裝置對齒輪箱內(nèi)的潤滑油進(jìn)行過濾，降低潤滑油中對軸承有害的硅、鐵、鋁等含量。

通過采取以上措施，有效改善了軸承潤滑及磨損狀況，軸承運(yùn)行5萬千米后的潤滑狀態(tài)如圖11所示，未出現(xiàn)任何磨損，性能良好。

圖11 改善后的軸承狀況

5 結(jié)束語

通過對機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)油潤滑軸承失效原因進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效改善了油潤滑軸承的潤滑環(huán)境和軸承磨損狀況，減少了因軸承失效造成的機(jī)破、檢修，確保了機(jī)車行車安全。同時(shí)也為牽引電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和軸承的維護(hù)提供了參考，對重載牽引技術(shù)的發(fā)展亦具有重大意義。