鐵路貨車軸承引起熱軸的原因分析及改進措施

董美娟

（洛陽LYC軸承有限公司技術中心，河南 洛陽 471039）

鐵路貨車軸承引起熱軸的原因分析及改進措施

董美娟

（洛陽LYC軸承有限公司技術中心，河南 洛陽 471039）

從鐵路貨車滾動軸承的質量角度，探討引起鐵路貨車熱軸的原因。以近兩年來由滾動軸承質量問題引發(fā)鐵路貨車熱軸的實例為切入點，統(tǒng)計分析鐵路貨車滾動軸承引起熱軸的原因，并提出了改進意見，從而降低鐵路貨車車輛熱軸概率，提高車輛運行的安全性。

鐵路貨車；滾動軸承；熱軸；原因分析；措施

0 引言

輪軸是鐵路貨車關鍵的走行部件，承擔著軌道車輛導向、移動和承載的功能，直接關系到鐵路貨車車輛的運行安全。在車輛運行過程中，受到速度、載重、運行環(huán)境等因素的影響，滾動軸承經過一定時期的運行，可能會發(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。

為降低由于滾動軸承故障問題造成鐵路貨車熱軸的概率，筆者以鐵路貨車輪軸軸承為研究對象，收集了近兩年來因軸承故障造成的鐵路貨車熱軸案例，對故障軸承的失效模式進行了辨別，并統(tǒng)計了各類軸承故障引起熱軸的比率，針對性地提出改進預防措施。

1 案例概況

目前我國鐵路貨車輪軸采用的滾動軸承以無軸箱封閉式雙列圓錐滾子軸承為主，當前鐵路貨車應用最廣的滾動軸承為SKF197726、352226X2-2RZ和353130B型圓錐滾子軸承。本次研究以352226X2-2RZ為對象，統(tǒng)計了近兩年由于滾動軸承故障引發(fā)的熱軸案例，共49起。通過對49套故障軸承的拆解檢測，確認了各故障軸承的失效模式以及引發(fā)熱軸的原因（見表1）。

在本次統(tǒng)計的鐵路貨車熱軸案例中，造成軸承發(fā)熱的原因有5方面：1）滾動面接觸不良；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項故障因素占到熱軸原因的90%。按熱軸預警級別對49套故障軸承進行統(tǒng)計：激熱報警共11起，其中6起故障原因為滾動面接觸不良，5起為密封失效；強熱預警共21起，其中13起由于滾動面接觸不良引起，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；其余熱軸預警均為微熱。

表1 鐵路貨車軸承熱軸失效模式統(tǒng)計

由上述統(tǒng)計可見，滾動面接觸不良和密封失效是造成鐵路貨車滾動軸承熱軸的主要因素。該類軸承故障發(fā)生概率高且危害性較大，是造成激熱和強熱的主要原因。下面我們就針對這兩種軸承故障模式及其成因進行探討，分析熱軸故障機理，并提出針對性的改進措施。

圖1 軸承故障類別統(tǒng)計

圖2 熱軸故障原因占比

2 故障模式分析及改進措施

2.1 滾動面接觸不良

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

圖3 滾動面接觸不良引起的軸承失效形式

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

在本次統(tǒng)計的49套故障軸承中有14套軸承發(fā)生了內、外圈滾道及滾子滾動面邊緣變色，且均為小端滾動面變色。我們在14套小端滾動面變色的故障軸承中隨機抽取了1套樣品進行跑合試驗，并通過紅外測溫儀對軸承溫度進行探測。跑合試驗進行至12 min時軸承出現(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（見圖4），說明滾子滾動面小端是導致異常溫升的熱源部位。

圖4 紅外線圖譜

此外我們又隨機抽取另外一套故障軸承，分別對其內圈滾道和隨機抽取的6粒滾子的滾動面表面進行了殘余應力及半寬度檢測。檢測結果如表2和圖5所示，內圈滾道表面殘余應力明顯小于滾子滾動表面，表明內圈發(fā)熱小于滾子。6粒滾子表面半寬度的整體變化趨勢是在距滾子小端4 mm和6 mm處出現(xiàn)拐點（低值），說明此處的溫升變化高于其它檢測部位。

表2 殘余應力檢測數據 MPa

圖5 滾子半寬度數據曲線圖

為分析軸承滾動面小端局部發(fā)熱的原因，我們對14套故障軸承的套圈和滾子進行了全項尺寸精度檢測，檢測結果顯示故障軸承外圈滾道角度接近或大于標準值上限、內圈滾道角度接近或小于標準值下限，而滾子錐角接近或小于標準值下限。當軸承工作時，滾子小端與內、外圈滾道發(fā)生局部接觸，軸承內、外圈和滾動體承受高頻應變力的作用，滾子小端受到內、外圈滾道雙向擠壓，使應力集中于滾子小端部位，造成滾子小端局部溫度快速升高，進而導致軸承內部溫度升高，引發(fā)熱軸。

2）套圈滾道磨損及局部麻點。本次統(tǒng)計案例中共有5套故障軸承套圈出現(xiàn)了內、外圈滾道磨損和滾道表面局部麻點，其中引起激熱的2套軸承內圈滾道磷化膜幾乎完全磨損。通過對故障軸承檢測分析，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。另外故障軸承潤滑脂中非金屬雜質含量偏高，說明潤滑脂受到污染，造成潤滑不良。

鐵路貨車滾動軸承首次裝車后，運行初期軸承需要一個磨合階段。軸承內、外圈滾道磷化膜不均勻、粗糙度值過高，導致軸承運轉時滾動面之間的潤滑油膜遭到破壞，形成半干摩擦狀態(tài)，引起軸承內部異常溫升。另一方面，軸承內部清潔度差，潤滑脂受到雜質污染，在交變應力作用下，導致滾動面損傷形成麻點，進一步增大了軸承滾動阻力。兩方面因素相互促進，促使軸承內部溫度快速升高，最終引發(fā)熱軸。

3）滾子碾皮、點蝕。滾子碾皮和點蝕是軸承疲勞剝落的典型失效形式之一。軸承工作時，零件工作表面承受高接觸應力循環(huán)作用，且套圈和滾動體在相對滾動的同時還存在相對滑動，當軸承運行一定期限后，易在最大剪應力處形成裂紋，隨著運行時間的增加繼而擴展到表層形成剝落。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輸和工作中受載情況的影響。

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

在軸承裝配或檢修過程中由于清潔度差或組裝前清洗介質不凈，易導致顆粒狀硬質點或灰塵帶入軸承內。軸承運行過程中硬質顆粒雜質可能造成內、外圈滾道面或滾子滾動面劃傷或點蝕；當軸承受到沖擊載荷較大時，滾動表面受到硬質雜質的擠壓易形成壓痕。雜質滾動面的損傷引起接觸不良，摩擦發(fā)熱，潤滑脂黏稠度降低，進而導致軸承溫度升高。

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起熱軸達到強熱和激熱預警。可見密封失效是引起鐵路貨車軸承熱軸的一個重要隱患。密封失效的表現(xiàn)形式有密封罩發(fā)生松動或脫落、唇口油脂滲漏、密封裝置發(fā)生異常磨損等。

1）密封罩松動或脫落。在本次熱軸案例統(tǒng)計中，11套密封失效軸承中有10套發(fā)生了密封罩松動脫出，且9起強熱和激熱預警均由密封罩松動脫出造成。因此如能避免該類密封罩松動脫出，將有效降低熱軸發(fā)生率，大大提高列車運行的安全性。軸承組裝時，由于密封罩偏壓或密封罩制造質量問題容易導致密封罩牙口凸臺被剪切，造成密封罩與外圈牙口部位配合過盈量不足。軸承經過一定時間運行后，密封罩會發(fā)生松動。當軸承運行過程中受到異常沖擊，也可能造成密封罩脫出。一旦密封罩發(fā)生脫出現(xiàn)象，會引發(fā)密封罩端面與端蓋（或后擋圈）的內平面間產生相對摩擦，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，密封唇部過盈量不足，易造成運行過程中油脂滲漏，導致潤滑不良，進而引起套圈與滾動體間的干摩擦，極易發(fā)生熱軸。

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

3 預防及改進措施

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

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

2）提高磷化膜質量。磷化前應對零件進行徹底清潔，特別是對于擋邊、油溝等不易清潔部位應加大檢查力度，保證零件清潔度良好；改進磷化處理工藝，避免粗大磷化結晶的產生，并對磷化后零件表面粗糙度進行控制。

3）對熱處理過程進行嚴格控制，加強零件探傷工作，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）改進軸承包裝，提高包裝防振、防沖擊性能，減少軸承在運輸或工作時受到非正常載荷作用產生的損傷。

5）提高軸承裝配清潔度。確保軸承檢驗、裝配工作間的清潔度及裝配前軸承清洗介質的潔凈。加強軸承檢測和裝配過程中的各項管理，經常檢測和更換軸承清洗介質，定期對軸承清潔度進行檢測，確保達到標準要求。軸承裝配過程中，避免灰塵雜質進入軸承。

6）保證密封罩的制造精度;嚴格執(zhí)行組裝技術要求，認真進行外觀質量檢查：保證裝配過盈量，內、外油封壓裝后應使用油封組件檢查裝置檢查其接觸狀態(tài)。

4 結語

本文通過對鐵路貨車輪軸熱軸實例進行統(tǒng)計分析，找出導致軸承失效的影響因素，統(tǒng)計分析了各類因素的發(fā)生比例、形成原因和影響程度并針對性地提出改進措施。經過1a的試行，取得了良好的效果，有效減少了鐵路貨車因軸承故障問題導致的熱軸，有效提高了鐵路貨車軸承可靠性。

（編輯 昊 天）

U272

A

1002-2333（2015）10-0260-03

董美娟（1987—），女，助理工程師，主要從事滾動軸承設計工作。

2015-05-28