城鐵列車轉(zhuǎn)向架齒輪箱軸承故障分析及改進(jìn)

劉海濤，舒友,薛世海,劉志遠(yuǎn),沈洪娟

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062)

齒輪箱軸承是城鐵列車轉(zhuǎn)向架的重要部件，其性能將直接影響列車的安全運(yùn)行。某列車檢車時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱中多套軸承發(fā)生故障，現(xiàn)對(duì)軸承故障原因進(jìn)行分析。

1 故障特征

某列車齒輪箱采用分體式箱體(圖1)，齒輪箱潤(rùn)滑油采用美孚合成齒輪油75W-90(Mobil Synthetic Gear Oil 75W-90)，輸入端及輸出端均安裝33115/Q圓錐滾子軸承。列車在冬季低溫(-30 ℃以下)、車輛最高轉(zhuǎn)速80 km/h工況下運(yùn)行11×104km時(shí)輸出軸電動(dòng)機(jī)側(cè)有滲油現(xiàn)象，對(duì)該項(xiàng)目齒輪箱進(jìn)行普查，多套齒輪箱油發(fā)黑，拆解齒輪箱及故障軸承發(fā)現(xiàn)軸承保持架斷裂，如圖2所示。故障軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：內(nèi)徑75 mm，外徑125 mm，寬度37 mm，滾子直徑13.1 mm，滾子數(shù)量23，滾子組節(jié)圓直徑99.949 mm。保持架材料為Q235B，滾子和內(nèi)外圈材料為GCr15。美孚合成齒輪油75W-90在-30 ℃以上流動(dòng)性較好，建議使用溫度不低于-30 ℃。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of gearbox

圖2 33115/Q軸承保持架斷裂示意圖Fig.2 Fracture diagram of 33115/Q bearing cage

2 故障原因分析

觀察斷裂保持架發(fā)現(xiàn)保持架窗孔小端比大端磨損嚴(yán)重，保持架斷裂起點(diǎn)位于保持架窗孔小端橫梁圓角處，經(jīng)電鏡掃描(圖3)發(fā)現(xiàn)斷口呈疲勞形貌，主要原因?yàn)檩S承存在異常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致保持架橫梁受滾子擠壓，橫梁與端面框體連接處產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致保持架開裂。

圖3 保持架窗孔橫梁小端斷裂電鏡掃描Fig.3 Scanning electron microscopy of fracture of small end of beam of cage window

分析軸承異常運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致保持架斷裂的原因可能與游隙、潤(rùn)滑及線路載荷等因素有關(guān)。

2.1 游隙

以往類似項(xiàng)目中軸承軸向游隙為0.12～0.16 mm，但該列車軸承游隙為0.20～0.25 mm，游隙較大。當(dāng)沖擊或速度變化時(shí)，齒輪軸會(huì)產(chǎn)生較大的軸向竄動(dòng)，從而沖擊軸承，造成軸承異常運(yùn)轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致保持架斷裂[1]。

2.2 潤(rùn)滑油

在低溫環(huán)境下運(yùn)行，潤(rùn)滑油黏度會(huì)升高，潤(rùn)滑油流動(dòng)性變差而導(dǎo)致潤(rùn)滑油飛濺，供油量不足，齒輪箱熱量不能及時(shí)被帶走，溫升過高，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)異常，進(jìn)而造成保持架斷裂[2]。模擬齒輪箱實(shí)際工況，將該齒輪箱分別在-25，-35 ℃工況下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在-35 ℃時(shí)溫升較高，拆解發(fā)現(xiàn)軸承保持架斷裂。

2.3 線路振動(dòng)加速度

參考文獻(xiàn)[3-4]檢測(cè)齒輪箱實(shí)際振動(dòng)，如圖4所示，輸入軸電動(dòng)機(jī)側(cè)軸承的振動(dòng)加速度峰值遠(yuǎn)高于IEC 61373：2010 Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests的要求10g(g取10 m/s2)。基于有限元軟件分析得到保持架等效應(yīng)力最大值為250 MPa，高于材料Q235B的屈服強(qiáng)度(235 MPa)[5]。

圖4 輸入軸振動(dòng)加速度Fig.4 Vibration acceleration of input shaft

3 改進(jìn)措施

1)將軸承軸向游隙調(diào)整為0.12～0.16 mm。

2)選取在低溫環(huán)境下(-30 ℃以下)仍具有較好流動(dòng)性的美孚齒輪箱油75W-80(Mobil Delvac 1 Gear Oil 75W-90)[2]。

3)選用加強(qiáng)型軸承33115/VG237，軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，保持架材料改為S355MC(屈服強(qiáng)度355 MPa，疲勞強(qiáng)度230 MPa)。基于有限元分析得到保持架等效應(yīng)力最大值為150 MPa，滿足要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)改進(jìn)后的軸承進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，滿功率250 kW加載，試驗(yàn)原理如圖5所示，分別進(jìn)行低溫啟動(dòng)和低溫低速試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)原理圖Fig.5 Principle diagram of test

低溫啟動(dòng)試驗(yàn)：設(shè)置試驗(yàn)溫度為-35 ℃,按車輛設(shè)計(jì)的啟動(dòng)加速度加速至最高轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60 min(圖6)。試驗(yàn)過程中齒輪箱各位置溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 啟動(dòng)階段速度變化Fig.6 Speed change during startup

圖7 低溫啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)齒輪箱各位置溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of each position of gearbox during low temperature startup test

因齒輪箱軸承潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑，速度越高，潤(rùn)滑越好。在低速工況下，存在潤(rùn)滑不充分的可能性，需進(jìn)行低溫低速試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度為-35 ℃，以車速5 km/h低速運(yùn)行15 min。試驗(yàn)過程中齒輪箱各位置溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 低溫低速試驗(yàn)時(shí)齒輪箱各位置溫度變化曲線Fig.8 Temperature change curve of each position of gearbox during low temperature and low speed test

由圖7和圖8可知:齒輪箱各軸承最高溫度為-10.2 ℃，最大溫升速率為9.1 ℃/min，滿足TB/T 3134—2013《動(dòng)車組用驅(qū)動(dòng)齒輪箱》中要求的軸承最高溫度120 ℃和最大溫升速率15 ℃/min要求，且齒輪箱無滲油，低溫下運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

試驗(yàn)結(jié)束后拆解齒輪箱軸承(圖9)，無異常。將新結(jié)構(gòu)齒輪箱裝車考核，最長(zhǎng)運(yùn)行100×104km，無異常。

圖9 試驗(yàn)后拆解的33115/VG237軸承Fig.9 Disassembled 33115/VG237 bearing after test

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某列車齒輪箱軸承故障的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)改進(jìn)后的軸承進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，無異常。將改進(jìn)后軸承裝車考核，運(yùn)行100×104km，無異常，說明了改進(jìn)方案的可行性。此外，后續(xù)有待進(jìn)一步開展齒輪箱油量對(duì)軸承溫升的影響研究。