圓柱滾子軸承不均勻磨損的檢測方法研究與應用

郭四洲 佘寶瑛 梅榮海 楊下沙

摘 要：電機運行后圓柱滾子軸承滾柱母線輪廓常呈現中間小、端部大的“啞鈴狀”不均勻磨損特征，導致滾柱端部應力集中，造成軸承早期疲勞失效。對不同磨損輪廓值的軸承滾柱進行應力仿真分析、振動故障檢測及運用考核，結果表明不均勻磨損的滾柱母線輪廓pt≤16μm可繼續安全運行。文章創新性提出了一種基于輪廓檢測和透光檢測相結合的工程應用檢測技術，并應用于電機檢修中的軸承磨損量定性預檢和精確定量卡控，為軸承的再利用和殘余壽命評估提供有力判據，對電機圓柱滾子軸承磨損檢測與電機檢修工程應用的發展具有重要意義。

關鍵詞：圓柱滾子軸承；輪廓檢測；透光檢測；工程應用

伴隨著我國機車向高速重載方向發展，機車牽引電機運行于風沙、高低溫、長時間跨區運行等復雜工況，電機軸承潤滑不良導致軸承出現早期異常磨損，甚至發展成軸承剝離及燒損，給機車安全運行帶來了全新挑戰[1]。

針對于電機軸承的早期異常磨損，具有滾柱母線輪廓常呈現中間小、端部大的“啞鈴狀”不均勻磨損的典型特征，在電機檢修中需對該類軸承進行檢測及卡控，保障檢修后的電機安全運行。經過系列的驗證與研究，提出了透光預檢和輪廓卡控相結合的軸承磨損檢測技術，并制定磨損判定值定量卡控軸承，篩選出磨損值合格軸承進行裝車再利用。

1 典型磨損特征及失效模式

1.1 典型磨損特征

軸承是機車牽引電機中支撐轉子和定子，實現轉子和定子穩定、靈活運轉的關鍵部件[2]。牽引電機通常配置2個軸承，即驅動端軸承和非驅動端軸承。驅動端主要承受載荷及處于浮動端，常采用圓柱滾子軸承。

在軸承的全壽命運行周期內，電機需返廠進行檢修，并檢測電機軸承的磨損狀況。返廠檢修電機圓柱滾子軸承進行檢測，發現其磨損特征高度一致[1]。滾柱表面有不均勻磨損痕跡，中部呈亮色，兩端呈暗灰色，如圖1。經測量，滾柱為啞鈴型，中部直徑小，兩端直徑大的異常磨損狀態，如圖2所示。

圖1 磨損圓柱滾子圖

圖2 滾柱異常磨損圖（縱向放大1000倍）

1.2 典型失效模式

當滾柱表面出現啞鈴狀不均勻磨損時，軸承的承載部位移至滾柱端部，造成滾柱端部出現應力集中[3]，如圖3所示。啞鈴型異常磨損進一步發展，滾柱的不均勻程度增加，滾柱端部應力集中將逐漸產生剝離脫落，如圖4，最終惡化導致軸承燒損固死。

2 滾柱軸承磨損檢測技術

為防止軸承滾柱異常磨損導致剝離、固死失效，研究一種不破壞軸承的滾柱表面磨損檢測方法，定量分析軸承的不均勻磨損量，嚴格卡控電機軸承檢測過程。

2.1 早期軸承磨損檢測技術

早期牽引電機軸承磨損檢測方法主要有電機旋轉振動、異音判別法、軸承游隙檢測、軸承外觀檢測及指感判別、潤滑元素含量檢測法等[4]。

上述幾種方法均存在一定局限性：（1）電機旋轉振動和異音判別法受電機裝配影響較大，無法判斷振動來源于軸承還是裝配對中不均問題；（2）軸承游隙檢測“啞鈴型”軸承，無法檢測軸承滾柱中部與端部的磨損量；（3）軸承外觀檢測只能粗略的檢測軸承是否出現剝離，點蝕，擦傷等情況，對軸承的磨損情況無法判別；（4）指感判別對檢測者經驗要求較高，需通過觸摸滾柱表面和內外圈表面的凹凸度，無法定量軸承磨損情況；（5）潤滑元素檢測受油路中所有結構磨損影響，無法具體指向軸承磨損，無法精確判定軸承的磨損情況。

因此，上述方法均不能對圓柱滾子軸承的表面輪廓磨損情況進行量化分類，從而無法對軸承殘余壽命進行評估。

圖4 滾柱剝離失效圖

2.2 表面輪廓檢測技術

基于早期軸承磨損檢測的局限性，提出了適用于工程應用的軸承表面輪廓檢測技術，對軸承滾道面磨損均勻性進行量化，為軸承殘余壽命評估提供依據。

軸承表面輪廓檢測方法目前主要有兩種：一種是表面輪廓儀檢測，該方法可準確定量評定滾道面的磨損情況，但操作相對較復雜，不適用于大批量軸承檢測；另一種輪廓透光檢測法，該方法是磨損定性檢測，方法簡單實用、高效，滿足工程應用的大批量軸承檢測篩選，分等級進行軸承磨損評估，實現透光預判，輪廓儀檢測卡控的結合性檢測方法。

2.2.1 表面輪廓儀檢測

表面輪廓儀檢測方法為：將待檢圓柱滾子軸承平放在專用工裝夾具上，摸索尋找到滾柱最高點，測量滾柱最高點母線的輪廓，評估滾柱承載區域有效取樣長度上最高點與最低點的高度差，即pt值。同時，可標定新軸承輪廓線，利用雙輪廓檢測方法評估磨損軸承與新軸承的輪廓曲線的磨損區域面積。利用表面粗糙度輪廓儀檢測圓柱滾子軸承，如圖5所示。

選取大量不同磨損程度的軸承進行滾柱母線與外圈軌道面輪廓檢測，其中新軸承與三種典型磨損程度的滾柱和外圈表面輪廓定量檢測結果如圖6、7所示。

圖6 不同磨損程度的滾柱輪廓檢測圖

從圖6可知，運用后的1～3號軸承出現不同程度的磨損，磨損區域及特征高度一致，表面輪廓高度差值pt越大，軸承啞鈴狀磨損情況越嚴重。

圖7 不同磨損程度的外圈輪廓檢測圖

從圖7知，新軸承及磨損軸承外圈軌道面輪廓非直線，外圈磨損為非均勻磨損；且滾柱和外圈磨損具有正相關性，滾柱輪廓磨損越嚴重（pt值越大），相應外圈滾道面磨損亦嚴重。因此，可選取軸承滾柱磨損檢測來評估軸承不均勻磨損程度。

2.2.2 輪廓透光檢測

為適用于工程應用，開展批量性的軸承輪廓檢測，規避輪廓儀檢測的操作繁瑣，提出一種輪廓透光檢測方法。

輪廓透光檢測方法為采用精度較高的直線尺，例如刀口尺；用以檢測軸承滾柱母線，刀口尺與軸承滾柱母線平行緊密貼合，對刀口尺與軸承滾柱母線間隙進行透光檢測，通過透光強弱程度及透光顏色定性判定滾柱表面輪廓的磨損情況。

通過大量滾柱輪廓透光檢測，將滾柱輪廓磨損狀況分為三個等級，并應用表面輪廓檢測儀對三個等級滾柱輪廓磨損區間進行量化，如表1所示。

表1 滾柱輪廓透光檢測對照表

據統計，經過輪廓透光檢測只有不到10%的軸承需要用到表面輪廓儀檢測進行復測判定，采用輪廓透光檢測預判輪廓儀復檢卡控，極大地提高了軸承檢測速度和效率。

實踐表明，面對工廠大批量軸承檢修的工程應用，采用透光檢測來預判，輪廓儀檢測卡控相結合的軸承磨損檢測技術，對軸承質量卡控具有良好應用效果。

3 仿真分析與應用研究

采用Mises應力仿真分析和單軸承動態故障檢測進行不同磨損等級的滾柱軸承可行性技術評估，并進行小批量裝車考核。

3.1 應力仿真分析

為分析不同輪廓磨損量的軸承應力分布，利用有限元分析軟件ABAQUS進行建模與分析。基于磨損輪廓pt值的限值分析，文章主要對第Ⅱ等級的滾柱磨損輪廓進行分析計算。

（1）實體建模：根據實際輪廓檢測的滾柱曲線，采用描點法對滾柱和外圈接觸曲線進行繪制，并進行實體建模，考慮軸承運行實際載荷分布，優化計算模型，模擬分析軸承滾柱主要接觸點與外圈接觸應力，如圖8。

（2）網格劃分：采用三維八節點減縮積分沙漏控制單元（C3D8R）對外圈和滾柱進行離散，局部接觸區域采用網格細化加密，整個有限元模型共有6899160個單元，7572260個節點，如圖9所示。

（3）載荷約束：基于滾柱軸承的受力分布，選取承載區載荷最大的滾柱，并進行滾柱周向約束，外圈固定約束，在滾柱上方施加均布載荷，載荷為實際運行中的軸承所有載荷轉化為單個滾柱載荷，取單個滾柱載荷的最大值。

圖8 應力仿真二維模型圖

圖9 三維模型網格劃分圖

（4）應力求解：仿真計算可得，磨損輪廓pt值為16μm的滾柱在實際應用最大載荷作用下，滾柱接觸區最大Mises應力為1068MPa。經核查，軸承滾柱和外圈材料的屈服應力為1690MPa[1]，表明輪廓磨損值為16μm的滾柱應力水平良好，小于屈服極限。仿真應力計算結果，如圖10所示。

圖10 接觸區Mises應力圖

3.2 單軸承動態故障診斷分析

基于旋轉機械故障診斷技術、精密微沖擊傳感技術及計算機測控技術，可識別對單個滾動軸承的故障，自動檢測出不同磨損狀態的軸承振動能量，及軸承內圈、外圈及滾動體等軸承組件的故障信息[5]，檢測原理如圖11。

分析不同輪廓磨損量的軸承振動能量及故障信息，結果如圖12所示。

圖11 單軸承動態檢測原理圖

圖12 不同磨損程度滾柱軸承振動能量圖

從圖12可知，新軸承的振動能量最低，均方根值≤2.3（1000rpm）；第1等級軸承與第2等級軸承的振動能量相近，均方根值≤5.5，均方根值在卡控值（≤6）范圍內，軸承拆檢狀況良好，無故障，磨損小；而第3等級軸承的振動能量偏大，均方根值接近9.5，軸承解體出現游隙值偏大，啞鈴型磨損嚴重，無法滿足剩余軸承使用壽命要求。

因此，基于軸承應力計算及單軸承振動檢測，輪廓透光檢測≤16μm的軸承屈服應力和振動能量均在規定范圍內，可以進行裝車再利用。

3.3 裝車考核

2013年8月，對輪廓透光檢測不同等級的軸承進行小批量裝車考核，其中pt≤16μm的軸承裝車運行已接近40萬公里，每個季度對在段運行的油樣和頂輪檢測跟蹤，檢測值均處于合格范圍內，表明該類軸承目前運行狀況良好。

4 結束語

文章對圓柱滾子軸承不均勻磨損的檢測方法進行研究與應用，針對圓柱滾子軸承滾柱表面呈現典型啞鈴狀不均勻磨損特征，創新性提出了一種基于輪廓檢測和透光檢測相結合的工程應用檢測技術，并應用于電機檢修中的軸承磨損量定性預檢和精確定量卡控。經過應力仿真分析、振動故障檢測及運用考核，結果表明不均勻磨損的滾柱母線輪廓pt≤16μm可繼續安全運行。

文章的研究及磨損限值分析為軸承的再利用和殘余壽命評估提供有力判據，對電機滾柱軸承磨損檢測與電機檢修工程應用的發展具有重要意義。

參考文獻

[1]楊振中，梅榮海，阮鴻芳.機車牽引電動機油潤滑軸承失效分析與對策[J].軸承，2014，1：45-47.

[2]劉澤九.滾動軸承應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]毛月新，沈雪瑾，陳曉陽，等.偏載軸承滾柱的接觸應力分布計算及其滾柱凸度設計[J].中國機械工程，2009，20（16）：1918-1922.

[4]池田伸一，等.牽引電機不解體檢修方法的研究[J].電力機車技術，1997，3：46-48.

[5]馮庚斌，段全勝，等. 機車車輛軸承、齒輪振動診斷[M].北京：鐵道部科學研究院機車車輛研究所，2005.

作者簡介：郭四洲（1974，12-），男，高級工程師，從事電機軸承應用技術研究。