牽引電動機公路運輸過程中軸承損傷原因及預防措施

金海善，郭四洲，閆曉凡，戚小龍

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

牽引電動機是電力機車的動力源，其大修時間間隔與滾動軸承使用壽命直接關聯。目前國內大部分電力機車大修間隔里程數為(9～12)×105km，這對電機軸承的可靠性提出了較高的要求。除保證軸承計算壽命符合要求外，避免在安裝、運用和維護過程中出現意外損傷也是需要注意的問題。在長途公路運輸過程中產生的軸承運輸損傷是軸承意外損傷形式之一，損傷嚴重的電動機裝車運行不久即產生軸承異常聲，損傷較輕的會在軸承滾道表面壓痕處形成疲勞裂紋源，加速軸承疲勞剝落，進而造成軸承抱死。

一般軸承運輸損傷屬于微動腐蝕磨損的一種，起源于設備運輸過程中軸承零件之間的相對微量運動。文獻[1]對微動磨損的產生機理、特征、危害及影響因素進行了綜述。微動腐蝕[2]會導致軸承振動，降低疲勞壽命[3]，可通過改變力學參數[4]、軸承設計參數[5,7]、使用涂層[6,8]等方法降低微動磨損程度。現以牽引電動機為例，分析在長途汽運過程中軸承損傷的原因，并提出預防措施。

1 故障現象

我公司產生運輸損傷的某型牽引電動機廣泛運用于國內某貨運機車上，其軸承配置結構示意圖如圖1所示。其中傳動端使用N332圓柱滾子軸承，非傳動端使用6326深溝球軸承。現有運輸防護方案為使用一根M16的螺桿(圖2)頂緊測速齒盤，防止轉子振動和轉動。

圖1 電機軸承配置結構示意圖Fig.1 Configuration structure diagram of motor bearing

圖2 頂緊螺桿Fig.2 Puller screw

在實際使用過程中，對返廠電機軸承進行拆解發現，非傳動端及傳動端軸承均產生不同程度的運輸損傷，其中傳動端軸承運輸損傷呈線狀，壓痕表面與周圍區域相比較為光亮(圖3)，主要集中于外圈滾道下方；非傳動端軸承壓痕與周圍區域相比則顏色顯得較深，長度較長，明顯偏向于溝道一側，且壓痕在溝道圓周方向呈等間距分布(圖4)。

圖3 圓柱滾子軸承滾道表面壓痕損傷Fig.3 Indentation damage on raceway surface of cylindrical roller bearing

圖4 深溝球軸承溝道表面壓痕損傷Fig.4 Indentation damaged on raceway surface of deep groove ball bearing

使用表面輪廓檢測儀對損傷軸承表面進行檢測，發現傳動端軸承壓痕深度最大約7 μm，非傳動端軸承壓痕深度最大約12 μm，其壓痕表面輪廓分別如圖5、圖6所示。由圖可知，在傳動端軸承壓痕處，其金屬表面產生了一定程度的凹陷(圖5)；非傳動端軸承溝道也有一定程度的凹陷(圖6)。

圖5 損傷的圓柱滾子軸承外圈輪廓圖(滾子凸度曲線擬合后)Fig.5 Profile of damaged cylindrical roller bearing outer ring (after roller convexity curve fitting)

圖6 損傷的深溝球軸承外圈溝道壓痕Fig.6 Indentation on outer ring raceway of damaged deep groove ball bearing

根據ISO 15243:2017[2]標準描述，軸承的偽布氏壓痕(圖7a)產生于振動腐蝕，會在軸承表面形成針狀凹槽；對于相對靜止的滾子和滾道表面，則會形成接觸腐蝕(圖7b)，這是軸承表面氧化的痕跡，屬于濕氣腐蝕的一種。

圖7 偽布氏壓痕和接觸腐蝕Fig.7 False brinelling and contact corrosion

滾動軸承的滾道面上一旦發生微壓痕，則以壓痕為起點萌生裂紋，由于裂紋的擴展，有時會發生剝落，可能引起軸承發生熱黏著等嚴重故障。電機軸承的運輸損傷從宏觀上看與ISO 15243:2017標準中的偽布氏壓痕和接觸腐蝕類似但不完全一致， 與其相比，圖3中的壓痕表面僅產生了類似拋光發白的痕跡，而沒有明顯的刻痕；圖4中接觸腐蝕區域的長度方向并不是沿軸向方向，而是沿周向方向。二者在表現程度上有所差別，但是產生機理上是一致的。為了進一步確定兩端軸承表面形貌產生的變化，使用電子顯微鏡對傳動端軸承發白區域及非傳動端軸承表面褐色區域進行觀察，結果如圖8所示。由圖可知，2個區域均有一定的表面形貌粗糙峰被壓平的痕跡，同時深溝球軸承壓痕表面有一定量的分散顆粒物。為進一步確定2種變色表面的元素，對壓痕區域表面元素成分進行能譜分析，結果見表1。

圖8 軸承滾道表面運輸損傷區域的微觀形貌Fig.8 Micromorphology of transportation damage area on raceway surface of bearings

表1 壓痕區域掃描電鏡元素分析結果Tab.1 Analysis results of elements in indentation area by SEM %

由表1可知，圓柱滾子軸承運輸損傷區域元素與軸承內部金屬的成分相近，說明產生壓痕的滾子與滾道之間僅產生了類似于拋光的作用，壓痕區域金屬組織元素成分并未發生明顯變化，未出現新的元素；但深溝球軸承運輸損傷區域氧元素明顯偏高，結合表面形貌以及顏色推斷該褐色物質為鐵銹。

2 故障原因分析

現有電動機運輸防護方案如圖9所示。圖中：G轉為轉子重力；G齒為小齒輪重力；L1，L2，L3，L4分別為小齒輪質心距傳動端軸承、轉子質心距傳動端軸承、轉子質心距非傳動端軸承、測速齒盤距頂緊螺桿頭部的距離。進行受力分析發現，該方案不能對電機軸承起到防護作用，一是螺桿和測速齒盤之間的摩擦力矩太小(僅10 N·m左右)，不能防止質量超過600 kg的轉子轉動；二是在30 kN軸向推力下，轉子轉動造成非傳動端軸承溝道與球的接觸面間缺乏油膜保護(圖10)，使其暴露在空氣中發生銹蝕。雖然螺桿壓緊于測速齒盤的壓力高達30 kN，但經過換算后，該壓緊力產生的摩擦力在轉子中心僅產生1 000 N左右的振動抑制力，而電動機運輸過程中轉子上下振動最大加速度可達3g(g=9.8 m/s2)，端部螺栓和測速齒盤之間的摩擦力不能抑制轉子上下振動，振動造成傳動端軸承滾子和滾道面反復撞擊，產生擊蝕，使其表面發白，因此兩端軸承產生不同色變。

圖9 軸系零件關系尺寸示意圖Fig.9 Relationship diagram of shafting parts dimension

圖10 大載荷下球排開溝道表面油膜原理圖Fig.10 Schematic diagram of squeezing away oil film between raceway surface and ball under heavy load

3 解決方案

為了避免軸承運輸損傷，參照現有工裝，使用一種全新的運輸防護方案，如圖11所示。從傳動端壓緊電動機轉子，由于傳動端端蓋上設計時沒有預留安裝雙頭螺桿的螺紋孔，利用端蓋上現有的螺紋孔設計了上下2個墊塊，以保證2根雙頭螺桿壓緊中間槽鋼時壓緊力正好通過轉軸中心，使非傳動端球軸承均勻受力。

圖11 運輸防護工裝Fig.11 Transportation tool for protection

M16的螺桿通過槽鋼施加于小齒輪的軸向推力F=30 kN，槽鋼作用于小齒輪的重合部分如圖12所示，不計槽鋼變形，槽鋼對小齒輪表面的壓強為

圖12 槽鋼作用于小齒輪重合部分示意圖Fig.12 Overlapping diagram of channel steel acting on pinion

由于壓緊面和轉軸端面的接觸面積較大，產生的摩擦力矩為

T=4(TΙ+TΠ)≈

式中：TⅠ，TⅡ分別為區域Ⅰ，Ⅱ的摩擦力矩；r為圓柱坐標積分的半徑參數；φ為弧度參數；f為摩擦因數，鋼材與鋼材接觸時，取f=0.15。通過計算可得T=112 N·m。

若在槽鋼表面作防滑處理，取摩擦因數f=1，槽鋼施加于轉軸的摩擦力矩可達747 N·m，在這種情況下可有效抑制轉子轉動，同時由于壓緊力作用于傳動端，作用于轉子中心的等效作用力可達2×104N，可有效抑制轉子上下振動。

將10臺裝有新工裝的試驗電動機由蘭州機務段發出，經1 716 km長途汽運返回株洲，返廠后對電機軸承進行拆解，發現其表面無肉眼可見的運輸損傷壓痕(圖13)，使用圓度儀及輪廓儀對軸承進行檢測，也未見滾道表面有異常，證明新工裝可有效防止軸承發生運輸損傷。

4 結束語

對現有牽引電動機軸承運輸損傷機理及其防護方法進行了研究，闡釋了電動機兩端軸承產生不同色變的原因，傳動端軸承損傷由滾子與滾道之間的反復擊蝕造成，非傳動端軸承損傷是由于在較大軸向載荷作用下，球與溝道之間的油膜被擠出，摩擦力矩不足以抑制轉子的轉動，造成了球與溝道表面金屬氧化。為此，開發了一種新型機車電機軸承運輸防護裝置，經使用證明，該裝置可有效避免電機軸承的運輸損傷。