關(guān)于軌道交通車輛軸承異響方案的研究
2018-12-17 09:13:14朱新榮吳雪陽畢修令李宏陽
中國設(shè)備工程 2018年22期
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架故障
朱新榮，吳雪陽，畢修令，李宏陽
（南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210031）
目前城市軌道交通的迅猛發(fā)展，伴隨著軌道車輛的批量交付壓力，通過占用鐵路交通資源進(jìn)行軌道車輛鐵路運(yùn)輸?shù)姆绞揭呀?jīng)變得不再現(xiàn)實(shí)，尤其是運(yùn)往國外的軌道車輛，需要通過海運(yùn)和公路運(yùn)輸?shù)姆绞綄④囕v運(yùn)輸?shù)接脩魣龅?。然而在公路和海運(yùn)的運(yùn)輸后，已有較多項(xiàng)目出現(xiàn)車輛牽引電機(jī)端部軸承的異響、抱死和掃鏜故障，轉(zhuǎn)向架軸箱軸承異響、剝離等故障，嚴(yán)重影響了車輛的上線率和運(yùn)營指標(biāo)。為解決運(yùn)輸原因?qū)е碌能囕v軸承發(fā)生的電機(jī)異響或抱死故障，同時(shí)也為了減少因車輛運(yùn)輸導(dǎo)致車輛部件返廠維修的連帶損失，對車輛運(yùn)輸過程中的軸承故障的匯總分析，并提出有效且可靠的解決方案變得尤為重要。
1 概述
在列車通過公路、海運(yùn)或混合運(yùn)輸后，依據(jù)車輛的運(yùn)輸遠(yuǎn)近以及途經(jīng)道路狀況的影響，有較多車輛在運(yùn)輸?shù)蕉魏笕?、四年?nèi)即出現(xiàn)了運(yùn)營過程中的異響。經(jīng)過對牽引電機(jī)和軸箱軸承的拆解，除了油脂顏色變深、油脂異常堆積外，還在較多的拆解軸承承載區(qū)表面出現(xiàn)了2～6條軸向的輕微直痕（布氏硬度壓痕），直痕以滾動體間距分布且與端面垂直，嚴(yán)重狀態(tài)下將出現(xiàn)軸承剝離狀態(tài)，如下圖1所示。
圖1 轉(zhuǎn)向架和電機(jī)軸承承載面直痕
為解決上述靜壓痕產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向架軸承和電機(jī)軸承異響情況，常常需要對營運(yùn)列車進(jìn)行扣車更換，耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。為了盡快解決該問題，需要對靜壓痕發(fā)生的原因以及后續(xù)的處理措施進(jìn)行預(yù)防性研究。
2 原因分析
2.1 滾動軸承的失效機(jī)理
滾動軸承的使用壽命與軸承的制造、裝配、使用緊密相關(guān)，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須嚴(yán)格保證質(zhì)量，才能使得軸承處于最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而延長軸承的使用壽命。然而在實(shí)際的軸承使用過程中，受滾動軸承的結(jié)構(gòu)、材料、潤滑和工作載荷等條件的差異影響，軸承損壞的狀況和形式會有所不同。單純從失效機(jī)理來分類，滾動軸承常見的失效形式有疲勞、磨損、腐蝕、塑性變形、裂紋、燒損、斷裂、電蝕等。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的軸承因運(yùn)行中動載過大、搬運(yùn)、組裝、運(yùn)輸或拆裝時(shí)碰傷，會導(dǎo)致軸承上出現(xiàn)機(jī)械損傷性壓痕。在出現(xiàn)機(jī)械性損傷后，雖然加注的油脂可以在軸承轉(zhuǎn)動過程中形成油膜進(jìn)行保護(hù)，防止軸承和軸承座之間出現(xiàn)干性摩擦，但是軸承在經(jīng)過有壓痕位置時(shí)，會將建立的油膜表面向外擴(kuò)張，油脂擠壓，因此在列車中低速時(shí)，產(chǎn)生周期性的異音。在列車高速運(yùn)行時(shí)，由于受輪軌間等外界影響，不易對異響進(jìn)行辨認(rèn)。這也是對軸承異音故障的判定多發(fā)生在低速狀態(tài)下的原因，后續(xù)多數(shù)通過車輛檢測設(shè)備等儀器對故障點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。為了說明問題，現(xiàn)以電機(jī)軸承為例說明運(yùn)輸過程中可能造成的軸承壓痕問題。
2.2 故障原因分析
牽引電機(jī)的軸承一般分為驅(qū)動端軸承和非驅(qū)動端軸承。針對電機(jī)軸承的布置，電機(jī)供應(yīng)商一般有兩種軸承使用方式。
（1）斯柯達(dá)、ABB、南車株機(jī)、永濟(jì)電機(jī)、阿爾斯通新造項(xiàng)目、龐巴迪等廠家提供的非驅(qū)動端為深溝球軸承，驅(qū)動端為圓柱滾動軸承。
（2）西門子、阿爾斯通老線、日本東芝等采用的是非驅(qū)動端為圓柱滾動軸承，驅(qū)動端為深溝球軸承。
上述兩種設(shè)置方式不同的原因，主要源自于設(shè)計(jì)廠家對電機(jī)壽命和效益的考慮，鑒于電機(jī)設(shè)計(jì)廠家的技術(shù)保護(hù)，在此不做深入分析。通常情況下，電機(jī)軸承的設(shè)置為深溝球軸承和圓柱滾動軸承配合使用，如下圖2所示。
圖2 某產(chǎn)品電機(jī)設(shè)置圖
電機(jī)中用的兩種軸承相同點(diǎn)是承受徑向負(fù)荷為主(承載)，并能承受小部分軸向負(fù)荷(軸竄)。二者不同點(diǎn)是，深溝球軸承使用極限轉(zhuǎn)速較高，軸向負(fù)荷承受能力相對較大，徑向負(fù)荷承受能力相對較小；圓柱滾子軸承使用極限轉(zhuǎn)速沒有深溝球軸承高，基本不能承受軸向負(fù)荷，但徑向負(fù)荷承受能力相對較大。
（1）非驅(qū)動端軸承故障分析。驅(qū)動端深溝球軸承與非驅(qū)動端圓柱滾子軸承都存在對應(yīng)的徑向與軸向游隙，如下圖3所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子支撐在驅(qū)動端深溝球軸承與非驅(qū)動端圓柱滾子軸承上。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動，則處于承載區(qū)的電機(jī)軸承（內(nèi)圈、外圈、滾動體等）部件位置相對固定。當(dāng)電機(jī)處于外界的隨動環(huán)境中，會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子在支撐軸承允許的游隙范圍之內(nèi)，隨外界振動而徑向振動，并且反復(fù)的作用在相同位置。
依據(jù)GB/T 26411—2009 / ISO 15243：2004軸承的偽壓痕描述如下：“對周期性振動導(dǎo)致彈性接觸面的微小運(yùn)動或回彈，滾動體和滾道接觸區(qū)將出現(xiàn)偽壓痕，根據(jù)振動強(qiáng)度、潤滑條件或載荷的不同，腐蝕和磨損會同時(shí)產(chǎn)生，在滾道上形成淺的凹陷……”。依據(jù)上述偽壓痕說明，以及實(shí)際項(xiàng)目對軸承故障的魚刺骨排查方法，非驅(qū)動端的軸承壓痕不排除因運(yùn)輸原因?qū)е聜螇汉鄣墓收?，而且隨著車輛運(yùn)輸距離的加長和運(yùn)輸行經(jīng)道路狀態(tài)的不良影響，長時(shí)間和高頻度的在軸承承載區(qū)域產(chǎn)生的偽布氏壓痕將進(jìn)一步加重，直接影響到軸承的使用壽命和車輛的可使用率。
圖3 球軸承和圓柱滾動軸承游隙軸向側(cè)剖示意圖
（2）驅(qū)動端軸承故障分析。對應(yīng)牽引電機(jī)驅(qū)動端的異響和掃鏜問題，通過簡單的對比分析，僅能推測驅(qū)動端的異響和掃鏜問題與電機(jī)驅(qū)動端的軸承基座和軸承配合設(shè)計(jì)構(gòu)造有較大關(guān)聯(lián)，目前出現(xiàn)故障問題的電機(jī)設(shè)計(jì)方還在進(jìn)一步研究和升級改造中，改造結(jié)果還需進(jìn)一步驗(yàn)證和跟蹤。
（3）目前的解決方案
為了解決因靜態(tài)偽布氏壓痕造成的車輛軸承異音、剝離等問題，現(xiàn)在廠家主要有兩種方案進(jìn)行防護(hù)：①在對單體電機(jī)運(yùn)輸時(shí)，在運(yùn)輸過程中對圓柱滾動軸承（非驅(qū)動端）一端用運(yùn)輸鎖（螺栓螺母）把軸承游隙累積到一側(cè)，減輕單體運(yùn)輸過程中可能產(chǎn)生的微小軸向運(yùn)動，減少軸承發(fā)生假性布氏壓痕的可能性。②對應(yīng)整車運(yùn)輸或者單個(gè)帶電機(jī)的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，為了固定軸承，通常是將轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)半聯(lián)軸節(jié)（電機(jī)的驅(qū)動端）進(jìn)行分離，并通過繃帶或其它分隔緊固的方式將電機(jī)和轉(zhuǎn)向架軸承進(jìn)行抬升固定。
2.3 現(xiàn)狀總結(jié)
目前在運(yùn)輸過程中僅能上述②進(jìn)行防護(hù)，在列車已經(jīng)運(yùn)輸?shù)蕉魏?，通過軸承溫度貼紙或紅外檢測裝備對軸承部位進(jìn)行監(jiān)控，以此來完成初步的篩查。然而依據(jù)效果反饋，在上述防護(hù)操作下只能從一定程度上減緩軸承壓痕的深度，無法保證軸承無異響，需要考慮更優(yōu)和更可靠的方式解決此問題。
3 公路運(yùn)輸?shù)目尚行愿倪M(jìn)方案
為了解決上述電機(jī)軸承故障、轉(zhuǎn)向架軸承故障，除了嚴(yán)格按照牽引供方的要求對滾柱軸承端添加運(yùn)輸鎖和固定轉(zhuǎn)向架輪對來緩解假性布氏壓痕之外，為了從源頭上解決相對靜止?fàn)顟B(tài)下的頻繁微振動導(dǎo)致靜壓痕，考慮通過帶動車輛輪餅跟轉(zhuǎn)的方式消除靜止?fàn)顟B(tài)下的偽布氏壓痕，例如通過鐵路運(yùn)輸方式或者在車輛轉(zhuǎn)向架輪對下部增加帶轉(zhuǎn)小軸承（或膠輪）的方式進(jìn)行。
圖4 帶小軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的車輛運(yùn)輸方案
基本構(gòu)思如上圖4所示，主體思路是將此工裝安裝在運(yùn)輸城軌車輛的車輛上，通過對膠輪的帶轉(zhuǎn)，來使軌道車輛的輪餅處于長時(shí)間的慢速跟轉(zhuǎn)中。通過上述方式，盡可能的減少車輛從裝車運(yùn)輸?shù)叫盾嚨蕉芜^程中出現(xiàn)的絕大部分靜態(tài)沖擊和壓痕存在的可能性。
用吊車或使用工裝將車輛架起或者轉(zhuǎn)向架懸空后，將轉(zhuǎn)向架落到支撐軸承B（或膠輪）上，依靠重力作用將膠輪下壓，利用膠輪下壓力將前后從動輪A抬升并支撐轉(zhuǎn)向架前后輪對，驅(qū)動電機(jī)利用旋轉(zhuǎn)皮帶帶動橡膠輪旋轉(zhuǎn)，通過橡膠輪帶動轉(zhuǎn)向架輪餅進(jìn)行跟轉(zhuǎn)。其中驅(qū)動電機(jī)的動力來自于三相異步電機(jī)或小型的燃油電機(jī)提供動力。因只需要通過電機(jī)克服膠輪摩擦力后跟轉(zhuǎn)即可，因此不需要較高的轉(zhuǎn)速。小軸承（或膠輪）的運(yùn)轉(zhuǎn)方案如圖5。
圖5 小軸承（或膠輪）的運(yùn)轉(zhuǎn)方案
其中B輪表示在車輪靜止?fàn)顟B(tài)下主動輪，通過該主動輪克服輪對摩擦力即可，在輪對轉(zhuǎn)動之后通過A輪的從動輪帶轉(zhuǎn)輪對持續(xù)轉(zhuǎn)動，A/B輪的驅(qū)動力來源于放置在車輛上的小型驅(qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。通過將轉(zhuǎn)向架落在運(yùn)輸車輛特制的小軸承（或膠輪）隨動系統(tǒng)上的方式，可以避免將城軌車輛整體架空，需尋找合適架空點(diǎn)的問題。與此同時(shí)，通過用A/B的主動從動輪方式，可以將同一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的兩套隨動系統(tǒng)進(jìn)行主從配合，避免在運(yùn)輸過程中一套軸承系統(tǒng)故障導(dǎo)致的車輛無法繼續(xù)隨動問題。轉(zhuǎn)向架和小軸承帶轉(zhuǎn)示意圖如圖6。
圖6 轉(zhuǎn)向架和小軸承帶轉(zhuǎn)示意圖
4 公路運(yùn)輸?shù)目尚行苑桨?/h2>
通過上述方式可以有效的解決靜止?fàn)顟B(tài)下出現(xiàn)振動沖擊導(dǎo)致偽壓痕出現(xiàn)的可能。目前上述的軸承隨動系統(tǒng)還在試驗(yàn)過程中，下一步需要考慮的問題是轉(zhuǎn)向架輪對的隨動系統(tǒng)中的車寬方向的滑動如何進(jìn)行防護(hù)，避免在長途運(yùn)輸過程中轉(zhuǎn)彎造成列車側(cè)滑且不損傷輪對內(nèi)側(cè)的方案。
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