HXD3型電力機車SEA107型牽引電機NU330軸承內套出現裂紋的原因分析

李　霞

(鄭州鐵路局　洛陽機務段， 河南洛陽 471002)

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HXD3型電力機車SEA107型牽引電機NU330軸承內套出現裂紋的原因分析

李霞

(鄭州鐵路局洛陽機務段， 河南洛陽 471002)

對洛陽機務段HXD3機車牽引電機NU330軸承運用中的問題進行了調查，對調查中還未出現故障的軸承內套滾道面出現的初始裂紋進行了全面材料檢驗，分析認為該軸承早期失效的原因是軸承內圈滾道面局部承受了較高的接觸應力所致。

HXD3型電力機車; NU330軸承; 內圈; 裂紋; 原因分析

洛陽機務段配屬HXD3機車266臺配屬以來共發生9臺機車11臺牽引電機軸承燒損，打開齒輪箱蓋后發現傳動端軸承外油封過熱或外竄。為防止事故，洛陽機務段通過開齒輪箱蓋檢查發現傳動端軸承外油封過熱或外竄的共14臺機車、19臺電機。

2014年6月洛陽機務段檢查發現HXD3 0830機車M3牽引電機傳動端軸承外油封外圓周過熱見圖1(a)。為調查軸承故障原因，洛陽機務段和大連機車車輛有限公司協調全部更換6臺牽引電機，從M1到M6電機編號分別為0906039、0912001、0908036、0905033、0906032、0905001，電機型號均為SEA107型，2010年5月新造后走行610 459 km，2013年12月2年檢后走行60 900 km，配裝軸承為日本NTN軸承。返廠后M3電機拆解，NU330軸承內套上有多處不規則破損，破損面中間有清晰的軸向裂紋，內套上有多處不規則坑狀剝離見圖1(b)。尤其應該注意的是，運行正常、傳動端軸承外油封正常的M4位0905033號牽引電機、M5位0906032號牽引電機的NU330軸承內套上也出現了極其細微的初始軸向裂紋見圖2。

圖1　HXD3 0830機車M3牽引電機傳動端NU330

圖2　HXD3 0830機車M4(a)、M5(b)牽引電機傳動端NU330軸承內套裂紋

2014年8月對該兩套軸承進行檢驗。目的是觀察軸承內圈宏觀形貌，確定內圈傷損特征，打開軸承內圈裂紋，觀察斷口形貌尋找裂紋源。掃描軸承斷口面，并對其裂紋源區域進行微觀檢驗，在裂紋區域及裂紋源附近取金相樣，觀察裂紋區域及裂紋源處的顯微組織。同時對送檢軸承進行化學成分、硬度、顯微組織檢驗。根據檢驗分析結果，對軸承內圈傷損原因進行多方面分析。

1　對兩套軸承的檢驗內容

(1)對軸承的宏觀觀察

清洗兩套軸承后，其外觀形貌如圖2所示。M5牽引電機NU330軸承內圈滾道面存在 1 條裂紋，該裂紋長約20 mm見圖 2(b)，M4牽引電機NU330軸承內圈滾道面存在2條裂紋，裂紋最長處約35 mm，兩裂紋間隔最寬處約10 mm見圖 2(a)。兩軸承內圈滾道面均可見多條磨痕，部分有手感。M5牽引電機軸承內圈裂紋處可見1條明顯的磨痕，M4牽引電機軸承內圈裂紋處有兩條輕微磨痕見圖3、圖4。采用4%的硝酸酒精清洗兩軸承裂紋，經酸洗后軸承內圈滾道面磨痕清晰。但裂紋處未發現磨削燒傷痕跡。兩軸承其余組件均未見損傷。

(2)斷口宏微觀檢驗

采用線切割方法切取軸承裂紋區域小樣，將裂紋打開，M5牽引電機NU330軸承內圈裂紋的斷口形貌如圖3所示，M4牽引電機NU330軸承內圈軸承裂紋的斷口形貌如圖4所示。

圖3　M5軸承內圈裂紋打開形貌

圖4　M4軸承內圈裂紋打開形貌

兩軸承內圈裂紋斷口均由疲勞斷口和脆性斷口組成，在疲勞斷口區可見明顯的貝紋狀疲勞擴展弧線，根據疲勞擴展弧線走向判斷斷口裂紋源均位于內圈滾道面，且均有明顯磨痕。取兩軸承斷口面，用掃描電鏡觀察斷口裂紋源，檢查是否有腐蝕裂紋或其他異常形貌，同時利用能譜儀檢查斷口裂紋源處是否有非金屬夾雜物，兩軸承斷口裂紋源的電鏡形貌如圖5所示，能譜檢驗結果如圖6所示。由圖5、圖6兩軸承斷口裂紋源處均未發現晶間腐蝕裂紋及殘留的非金屬夾雜物。但兩軸承內圈裂紋源處均可見一凹坑形貌。

綜合上述對兩套軸承內圈裂紋斷口的宏、微觀檢驗可知，兩軸承裂紋起裂源均位于滾道面處且伴有磨痕。兩軸承裂紋源處未發現腐蝕及夾雜物殘留痕跡，故由腐蝕、非金屬夾雜物引起軸承起裂的可能性小。但兩軸承內圈裂紋源處均可見一凹坑形貌，推測兩軸承可能承受了異常載荷作用(如過高的沖擊力等)。異常載荷使軸承內圈滾道面局部(磨痕處)承受了較高接觸應力造成凹坑(沖擊坑)，誘發材料疲勞，疲勞裂紋在運動載荷作用下持續擴展，最終導致軸承內圈宏觀裂紋。

圖5　兩軸承斷口裂紋源的電鏡形貌

圖6　兩軸承內圈裂紋源處能譜檢驗結果

(3)軸承內圈化學成分檢驗

軸承內圈的化學成分是SUJ2軸承鋼，SUJ2軸承鋼的化學成分與國內GCr15軸承鋼的化學成分相近，均為高碳鉻軸承鋼。SUJ2軸承鋼中十種元素的含量分別是C:0.95～1.10,Si:0.15～0.35,Mn:≤0.50,Cr:1.30～1.60,Mo:≤0.08,P:≤0.025,S:≤0.025,Ni:≤0.25,Cu:≤0.25,Ti:≤0.003(wt%)。國內GCr15軸承鋼中十種元素的含量成分別是C:0.95～1.05、Si:0.15～0.35、Mn:0.25～0.45、Cr:1.35～1.65、Mo:≤0.10、P:≤0.025、S:≤0.015、Ni:≤0.25、Cu:≤0.30、Ti:≤0.003(wt%)。按照 GB/T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》的要求對軸承內圈的化學成分進行檢驗，各軸承化學試樣取自金相樣，檢驗結果均在范圍內。

(4)硬度檢驗

按照 GB/T 230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分》的要求對送檢軸承內圈的洛氏硬度進行檢驗，兩軸承芯部及表面的硬度均進行檢測。兩軸承內圈芯部硬度取軸承縱截面且兩面磨平，顯示洛氏硬度檢驗結果HRC均在57.5～62范圍內。

(5)顯微組織檢驗結果

取兩套軸承內圈裂紋源小樣，采用光學顯微鏡對兩裂紋源處的金相組織進行觀察。結果兩軸承裂紋源處的金相中未見磨削燒傷等異常組織存在，其顯微組織仍屬高碳鉻軸承鋼正常的淬火+回火組織。

取兩套軸承內圈裂紋區域小樣，采用光學顯微鏡對兩內圈裂紋區域進行觀察。結果兩軸承裂紋區域未見脫碳，故排除其為原始制造裂紋的可能。測量兩軸承裂紋的深度，其中M5裂紋最深處約為 1.8 mm，M4軸承裂紋深度約為 2 mm。

參考JB/T 1255-2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》，采用光學顯微鏡分別觀察軸承內圈滾道面下3 mm處的屈氏體組織、顯微組織和網狀碳化物組織，參考國內標準技術條件，軸承內套的屈氏體組織、顯微組織、網狀碳化物組織級別分別為1～2、1～3、≤2.5，兩套軸承組織評定分別為1、2、1.5(1)級，在國家標準范圍內。軸承內圈組織級別符合要求。

參考GB/T 18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標準評定兩套軸承內圈的非金屬夾雜物級別，評級結果，軸承內圈的非金屬夾雜物級別符合要求。

2　結論

綜上所述，兩套軸承其傷損形式為內圈滾道面處存在裂紋，排除原始制造裂紋、腐蝕及夾雜物殘留痕跡，從兩軸承內圈裂紋源處的凹坑形貌，結合軸承實際運用情況推斷，推測兩軸承承受了異常載荷(如過高沖擊力等)。異常載荷使軸承內圈滾道面局部承受了較高接觸應力造成滾道表面損傷(如沖擊坑)，誘發材料疲勞開裂，疲勞裂紋在運用載荷持續作用下擴展，最終形成宏觀裂紋。

確定了軸承裂紋的根本原因是軸向異常載荷后，進一步分析軸向異常載荷的來源。其一是軸承設計未考慮中國國情，比如線路上坡道和彎道時機車牽引電機軸承的振動和迷宮槽的干涉，原設計圖在軸承室迷宮處未設計倒角，日本的加工工藝和線路可能運用正常，但國內就會出問題。其二是軸承拆卸組裝工藝未控制好。經排查發現許多拆卸組裝工藝不良問題，如組裝作業人員測量軸承室尺寸時存在作業不規范。這些都是可能引起軸承安裝后不平行、產生軸向異常載荷導致故障的因素。

針對軸承異常載荷的來源，制定了相應改進措施，如改進軸承內封環與軸承座的裝配質量，保證裝配后內封環能靈活轉動，使內封環在軸承燒損后可以轉動支撐軸承，軸承座與內封環兩配件裝配后進行深度測量，4點十字測量最大值、最小值的差值不應大于0.02 mm，保證安裝后軸承的內套、內油封等軸承配件的平行度等。措施實施后，軸承的故障得到了有效的控制。

[1]張曙光.HXD3型電力機車[M]. 北京:中國鐵道出版社，2010.

[2]龍洙，權中太.鐵路機車滾動軸承手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1995.

[3]GB/T 4336-2002 碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法[S].

[4]GB/T 230.1-2009 金屬材料 洛氏硬度試驗[S].

[5]JB/T 1255-2001 高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件[S].

[6]GB/T 18254-2002 高碳鉻軸承鋼[S].

Cause Analysis of NU330 Bearing Inner Sleeve Crack of SEA107 Traction Motor for HXD3 Electric Locomotive

LIXia

(Luoyang Locomotive Depot, Zhengzhou Railway Bureau, Luoyang 471002 Henan, China)

In this paper, the traction motor NU330 bearings' application problems of HXD3 electric locomotives allocated in Luoyang Locomotive Depot are investigated, the comprehensive material inspection is conducted for the initial crack of no-fault bearings inner raceway surface, and the cause of bearing premature failure is confirmed that the bearing inner ring raceway surface has suffered higher contact stress.

HXD3 electric locomotive; NU330 bearing; inner ring; crack; cause analysis

1008-7842 (2016) 02-0067-03

?)女,高級工程師(

2015-11-16)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.16