鐵路貨車軸承熱軸典型故障分析及防范措施

劉春橋，楊忠良，劉吉遠

(1.中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南西車輛段，山東 濟南 250117；2.中國國家鐵路集團有限公司 機輛部貨車事業部，北京 100844)

鐵路貨車軸承熱軸是貨車軸承運行中較常見的故障，熱軸故障輕則會導致列車停車、摘車、換輪，擾亂行車秩序，影響鐵路貨車運輸效率，重則會發展成燃軸、熱切軸等惡性事故，影響到鐵路貨車運輸安全。因此，了解掌握鐵路貨車軸承熱軸故障發生的規律，并采取相應的防范措施降低軸承熱軸發生率，對提高貨車運輸效率，保障鐵路貨車運輸安全具有重要意義。軸承密封罩脫出、滾子異常接觸、內外圈滾道擦傷剝離、軸承組裝質量不良及環狀條紋等是典型的軸承熱軸故障，本文將對上述幾種典型軸承熱軸故障的產生原因進行初步分析，并提出相應的改進措施及建議。

1 典型故障

1.1 油封組件故障

鐵路貨車軸承密封結構如圖1所示，油封組件故障主要表現為軸承密封罩脫出或油封變形、破損(圖2)。

圖1 密封結構

圖2 油封組件故障

1.2 軸承滾子故障

比較常見的軸承滾子故障主要有滾子大端、小端外徑面局部接觸異常，滾子球基面與內圈滾子引導面接觸異常等，如圖3所示。

圖3 軸承滾子故障

1.3 軸承內部劃傷、擦傷故障

軸承內部劃傷、擦傷(圖4)的原因一般是軸承內部有硬質顆粒雜質或軸承內部工作表面輪廓不良，局部有凸點，致使軸承運轉過程中產生劃傷、擦傷，造成局部摩擦過大從而導致軸承升溫發熱。

圖4 軸承內部劃傷、擦傷

1.4 軸承套圈擦傷、疲勞剝落故障

軸承套圈出現嚴重的擦傷和疲勞剝落(圖5)在熱軸故障軸承中并不常見，但其危害程度較大。套圈擦傷或疲勞剝落會嚴重破壞軸承滾道表面原有的輪廓形狀和精度，同時大量脫落的金屬顆粒會進一步加劇滾子和滾道之間的摩擦、劃傷，導致軸承運轉溫度急劇升高。

圖5 表面疲勞剝落的軸承套圈

1.5 軸承組裝質量不良故障

軸承組裝質量不良主要表現為各零部件的極限偏差組裝導致軸承在運用過程中其內部工作面局部磨耗、密封件配合過盈量不當而脫出等，最終發生熱軸故障。常見的極限偏差組裝類型有內外圈滾道角度及滾子錐角、內外圈滾道素線和滾子外徑素線凸度、內外圈滾道面及滾子外徑粗糙度、同組滾子間球基面曲率、油封與軸承零件間配合尺寸等不合格。

1.6 軸承零件環狀條紋故障

環狀條紋是在軸承內外圈滾道面及滾子滾動面上出現的規則周向痕跡，是軸承運用中最為普遍的一種現象。就其缺陷程度而言主要有3類環形條紋:第1類環形條紋無手感，采用輪廓儀檢測時無深度，只是波峰與波谷的差異，不應歸屬于缺陷；第2類環形條紋深度不大于0.025 mm，且條數不大于4條，對軸承性能和運用安全無影響，修復與否均可使用；第3類環形條紋深度大于0.025 mm，對軸承性能和運用安全有較大影響，不得再使用。

2 典型故障原因分析

2.1 油封組件故障原因分析

軸承在運行過程中，密封罩凸臺從軸承外圈牙口凹槽脫出，外油封端面和前蓋發生摩擦，導致溫度升高。造成密封罩脫出的主要原因有密封罩制造質量不良、密封罩和外圈牙口面配合不當、密封罩壓裝偏斜或變形等。密封罩制造質量不良主要表現在密封罩凸臺尺寸不合格、配合面橢圓度超差、配合面尺寸不合格及密封罩變形等。密封罩和外圈牙口面配合不當是指配合過盈量太小或太大，當過盈量太小時，密封罩與外圈牙口的摩擦鎖緊力不足，在運行過程中，由于振動及運轉離心力作用，導致密封罩脫出；當過盈量太大時，在壓裝密封罩過程中，密封罩凸臺有可能被局部切掉(圖6)，導致密封罩凸臺和牙口凹槽間的鎖緊力不夠，造成密封罩脫出。密封罩壓裝偏斜或變形是由于在壓裝密封罩過程中上下模具不同心或傾斜，造成密封罩和牙口圓周接觸不充分，導致密封罩脫出。

圖6 密封罩凸臺被部分切掉

油封變形、破損后造成內外油封間發生異常接觸，二者相互摩擦發熱導致軸承運行過程中溫度升高。產生油封變形、破損的主要原因有內外油封組件壓裝質量不良、油封制造質量不良、運輸防護不當及軸承運行中受異常外力等。內外油封組件壓裝質量不良是由于壓裝模具或支撐平臺傾斜，導致內油封壓入密封座的位置不均勻，外油封與密封罩貼合間隙過大以及油封變形、局部過壓、翻皮等；油封制造質量不良主要由于橡膠與骨架硫化粘結不牢、修邊深度及毛刺高度處置不當、油封表面有凹凸缺陷等；運輸防護不當主要是指野蠻裝卸、擠壓空間等。

2.2 軸承滾子故障原因分析

滾子和滾道的正常接觸位置應該是滾子中部區域。然而部分軸承在運用過程中，其滾子接觸區域會發生異常偏離，滾子運轉出現偏斜現象，致使滾子和滾道的接觸區域產生過大的滑動摩擦，導致軸承溫度升高，反映為滾子和滾道面出現高溫變色，如圖7所示。

圖7 滾子和滾道接觸示意圖

造成滾子故障的原因主要有：滾子外徑表面對數曲線形狀不良，局部有“凸凹”或凸度中心偏移量超差，導致滾子和滾道在受力接觸過程中，滾子表面變形不均勻，局部異常受力過大而打滑，局部滑動摩擦力增大使軸承內部溫度升高； 滾子外徑錐度超差造成滾子表面和滾道接觸異常，錐度太大容易使滾子大端和滾道異常接觸，錐度太小容易使滾子小端和滾道異常接觸，均使軸承內部溫度升高； 滾子端面球基面曲率超差或套圈擋邊角度超差，使滾子和套圈擋邊接觸位置偏外或偏內，導致滾子在運轉過程中產生傾斜，局部摩擦力過大，造成軸承異常發熱； 偏載導致軸承內部單側受力過大，使滾子球基面與內圈滾子引導面、滾子外徑面與滾道面產生異常摩擦造成軸承溫度升高。

2.3 軸承內部劃傷、擦傷故障原因分析

造成軸承內部劃傷、擦傷的具體原因主要包括：軸承零配件清洗質量不良；軸承裝配間工作環境落塵量不達標；清洗介質防護不到位或更換不及時；注入的潤滑脂在使用過程中受到異物污染；軸承組裝工裝的清潔度不良或存在金屬毛刺，在軸承組裝過程中作業不當，造成工作表面產生局部碰凸點。另外軸承零件非磨削面的車削積屑瘤、倒角毛刺，油溝槽殘留有清潔介質結晶顆粒或探傷磁粉等也是造成軸承內部劃傷、擦傷的重要因素。

2.4 軸承套圈擦傷、疲勞剝落故障原因分析

軸承套圈擦傷和滾道表面疲勞剝落的原因比較復雜，常見的原因主要包括：壓痕擴展產生的疲勞剝落(壓痕是由于緊急制動、鋼軌接觸不良或輪對踏面嚴重擦傷時，使軸承受到瞬時超過其承載能力的重沖擊載荷，滾子壓進滾道形成的塑性變形)；車輛緊急制動導致的軸承滾道表面擦傷；軸承潤滑不良，軸承材料缺陷，軸承熱處理質量不良，軸承加工過程中表面燒傷、磨傷、淬火裂紋及磨削裂紋等。

2.5 軸承組裝質量不良故障原因分析

鐵路貨車軸承采用大批量工業化生產，考慮到當前工藝裝備加工精度的經濟性，產品圖樣設計的某些精度指標往往較為寬泛。軸承零件如果僅僅滿足圖樣要求而不加以內控，且不進行選配組裝，就會有一定比例的軸承出現極限偏差組裝現象。軸承內部零件出現極限偏差組裝時，軸承內部各工作表面間易出現局部接觸、受力及偏磨等情況，導致軸承在運用中溫度升高。

2.6 軸承零件環狀條紋故障原因分析

軸承零件環狀條紋故障原因有以下幾種情況：無手感的環形條紋主要是較大的粗糙度波峰以及滾子運轉中與保持架窗梁的接觸等所致；同一列滾子每一個滾動面和與其內圈或外圈接觸的滾道面上存在間距、形貌吻合的環形條紋，其形成原因主要是由于機械加工形成的內外圈滾道表面輪廓形狀不良及軸承清潔度不良等造成的；在一個或多個滾子滾動面上存在不等條數、不同輕重程度的環形條紋，主要是由于保持架窗梁側面有玻璃纖維外漏、凸點毛刺或異物鑲嵌等所致。

3 防范措施與建議

軸承發生熱軸的特征和原因非常復雜，每一起熱軸故障都有自身的特殊性，需要結合軸承運用信息及現場實際情況進行詳細分析，查找故障原因并采取有效的預防措施。總的來說，降低熱軸故障率需要在提高軸承零配件造修質量、加強配件選配組裝質量、提高清潔度、加強外購配件質量和儲運管理、提高設備工裝性能等方面采取綜合措施，標本兼治。

3.1 零配件造修質量方面

(1) 提升軸承內圈滾子引導面制造質量，合理控制其角度范圍，避免角度過小時受力異常導致軸承卡滯情況，控制其表面粗糙度，在終磨削階段增加超精工藝。

(2) 優化滾子超精工藝，改進滾子凸度對數曲線形狀，保證凸度中心偏移量，提高滾子凸度下偏差值，保證軸承旋轉性能。

(3) 提高滾子球基面磨床的加工精度，控制滾子球基面質量，確保同組滾子球基面曲率的一致性。

(4) 規范控制機床加工參數、磨削進給量、磨削冷卻性能及磨削液流量等，控制磨削燒傷及磨削裂紋情況。

(5) 對精磨和超精工序用的砂輪、油石進行合理選型，提高精加工后產品的精度和表面質量。

(6) 優化改進油封硫化模具，提高定位精度，防止硫化過程中骨架產生位移和變形。增大鋼骨架表面防銹膠狀物的噴涂面積，提升噴涂和磷化質量，提高鋼骨架的防銹及防腐性能。

(7) 嚴格控制密封罩外徑尺寸，合理選配密封罩和牙口的配合過盈量。選擇更合適的外圈牙口凹槽加工刀具，優化車削程序，保證密封罩凸臺與外圈牙口凹槽的鎖緊力。

(8) 加強磷化后內外圈滾道及滾子引導面粗糙度的控制，降低軸承運轉中的摩擦熱。

(9) 熱處理后對內圈采取噴砂或打光工藝，清除內圈油溝、倒角及外徑的氧化皮、金屬毛刺等附著物。

3.2 配件選配組裝質量方面

(1) 對內外圈滾道角度、垂直差和滾子角度進行合理內控或選配組裝，避免出現極限偏差組裝。

(2) 對保持架外觀質量進行全數檢查，優化內圈組件壓裝工藝方法，保證內組件組裝時不產生磕碰傷、擠壓等現象。

(3) 優化密封罩外徑和外圈牙口尺寸選配方案，密封罩組裝前，全數測量牙口尺寸及凸臺寬度、高度，并進行合理組配。

(4) 壓裝油封前檢查壓裝設備上下壓裝胎具的同心度、壓力穩定性、壓裝速度、支撐平臺的平面度及水平度等，結果應符合要求。

(5) 規范軸承軸向游隙調整、中隔圈選配作業標準，防止更換中隔圈過程中滾子對外圈滾道的磕碰傷。建議優先采用自動選配中隔圈、調整軸向游隙的合套機。

(6) 制定內控標準，盡量縮小中隔圈高度尺寸的分組間隔，提高中隔圈兩端面的平行差精度，合理精確控制軸承軸向游隙。

3.3 清潔度方面

(1) 對密封罩、中隔圈、密封座與套圈進行分類清洗管理，提高各零件的清潔度。

(2) 大修軸承滾子裝配前應對球基面凹穴進行重點擦拭清洗，提高滾子的清潔度。

(3) 增加清洗機監控檢測頻次，及時更換過濾網和濾芯，定期清理儲液箱，更換清洗液，保證清洗液的清潔度。

(4) 清洗設備宜增加磁分離裝置，可吸附清洗介質中的微小金屬顆粒、粉末等，對磁粉探傷后的清洗尤為重要。

(5) 采用罩杯式密閉系統、軸承高速旋轉、清洗液高壓噴淋的清洗方式，避免在清洗過程中發生異物進入軸承的情況。

(6) 合理控制清洗介質的配比，在保證清洗效果的前提下，避免濃度過高導致工件溝槽處產生結晶殘留現象。

(7) 更換注脂工序中傳統油脂儲存設備，采用新型注脂設備，直接將原裝桶中的油脂壓入軸承，一桶一更換，避免油脂在添加過程中受到污染。

3.4 外購配件質量和儲運管理方面

(1) 加強外購配件的質量抽查及管理，杜絕不合格配件的使用。

(2) 加強油封、保持架等橡塑配件的庫房管理，要做到防塵、防潮、防陽光直射，遠離熱源，嚴禁與酸、堿、油類及有機溶劑等同庫房存放。

(3) 加強對軸承及配件運輸過程的控制，規范包裝和物流過程，避免運輸與搬運過程中的磕碰、甩扔及擠壓現象，防止造成密封罩變形或脫出、油封破損等。

3.5 設備工裝性能方面

(1) 加強工裝設備的日常保養維護，杜絕設備“帶病”作業。

(2) 提高設備的自動化程度，用機控代替人控。

(3) 采用軸承零配件的專用防護料框，做好產品防護，防止出現磕碰傷。

(4) 在關鍵工序購置先進的工裝設備，實現“以設備保工藝，以工藝保質量，以質量保安全”的目標。