地鐵軸箱用雙列圓柱滾子軸承失效分析

夏仁善，宗曉明，張玉鈴

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003）

0 概述

目前國內地鐵軸箱軸承多采用雙列圓柱滾子軸承，廣州地鐵5號線采用日本進口的NSK 120JRF軸承，結構示意如圖1所示。在應用中監測到溫度異常情況，對其進行拆解后發現軸承潤滑脂干涸，保持架斷裂問題。地鐵車輛軸箱軸承對列車的安全運營起著舉足輕重的作用[1-3]。本文對軸承的失效原因進行了分析，從軸承宏觀外貌、尺寸、潤滑脂和損傷微觀形貌等方面對NSK 120JRF失效軸承進行檢驗[4]，分析其失效原因，為同類問題的解決提供理論基礎與應用經驗。

圖1 軸箱雙列圓柱滾子軸承結構示意圖

1 軸承檢驗

1.1 軸承外觀檢驗

送樣NSK 120JRF軸承外觀如圖2～5所示，從圖中，可以看出：

圖2 清洗前軸承外觀

（1）軸承主要損傷為潤滑脂變黑、變干和保持架斷裂。

（2）結合軸承滾子、滾道接觸痕跡，可判斷軸承保持架未斷裂的為B列，保持架斷裂的為A列；

（3）軸承B列潤滑脂干涸呈黑土狀，保持架未斷裂，內滾道存在多處小面積損傷痕，滾子外徑面與內滾道對應位置存在周向磨損痕跡和壓痕，外圈外側滾道面與內滾道對應位置存在磨損痕跡，痕跡較滾子輕。

（4）軸承A側潤滑脂呈黑色油泥狀，保持架斷裂為4段，4粒滾子脫出，未斷裂窗孔內徑窗孔邊角處大多存在裂紋，滾子和內、外滾道接觸面無明顯損傷和變色，僅見接觸摩擦痕跡。

（5）軸承外圈外徑面載荷區存在腐蝕痕跡，無明顯粘著和變形。

（6）軸承潤滑脂顏色呈炭黑色，推測潤滑脂可能碳化或由外部污物進入，其余各零件及各工作面未見明顯異常。

通過軸承外觀檢查，送樣軸承主要失效為潤滑脂變質和保持架斷裂。

圖3 清洗后軸承各零件

圖5 清洗后保持架斷裂位置形貌

1.2 軸承尺寸檢測

由于軸承已經損壞，僅對軸承配合尺寸和保持架窗孔尺寸進行檢測，結果如表1。通過檢測結果分析，軸承相關尺寸無明顯異常。

1.3 軸承外側保持架探傷

對送檢軸承未斷裂保持架進行著色探傷，檢查是否存在微裂紋。通過著色探傷檢查，保持架未發現裂紋，如圖6所示。

圖6 未斷裂保持架探傷檢測

1.4 保持架斷口和滾道損傷分析

采用線切割從送檢軸承內圈B列滾道面上的損傷區域（圖4）切取試樣，并從斷裂的保持架中選取磨損輕微的斷口試樣，將兩個試樣經超聲波清洗和烘干后，依次放入JSM-6380LV掃描電鏡中進行變倍觀察，結果見圖7～8。

圖4 清洗后內圈滾道（左A右B）

圖7 內圈B列滾道面上損傷區形貌

圖8 保持架斷口擴展區低倍形貌與疲勞裂紋形貌

由掃描電鏡形貌可知：

（1）內圈B列滾道面上的損傷是在運轉過程中外來硬質顆粒造成的表面擠壓造成的。

（2）保持架局部斷口形貌表明是其斷裂模式為疲勞斷裂，由于局部因過載形成解理斷裂并在運轉過程中逐步擴展。

1.5 軸承潤滑脂檢驗

從送樣軸承零件上對附帶的潤滑脂取樣，發現銅含量均較高，分別為3.7%和4.5%，其余元素無明顯異常。銅可能來源于外部也可能是軸承內側保持架斷裂產生。

2 檢驗結果及分析

通過上述檢驗，結果如下：

（1）軸承失效模式為潤滑脂變質，A列保持架疲勞斷裂，B列內圈滾道面硬質物侵入造成的擠壓損傷以及由擠壓傷引起的局部表面起源型剝落。

（2）結合軸承各部位及零件損傷程度，潤滑脂失效最為嚴重，而B列內圈滾道面和滾子損傷較輕，結合B列內圈滾道面和滾子的損傷為擠壓傷，可推測軸承內圈滾道面和滾子的損傷為后發失效。

（3）軸承潤滑脂元素檢驗結果顯示，軸承A、B側潤滑脂中銅含量均較高，A側銅含量高于B側應該是保持架斷裂磨損所致，B側銅含量也較高可能來自外部也可能來自保持架斷裂磨損。軸承B側潤滑脂干涸，A側潤滑脂呈油泥狀，都已完全失效，但B側變質較A側更嚴重，而保持架斷裂為A列，推測潤滑脂失效非保持架斷裂引發。

（4）結合委托方提供的現場發現有軸承B側密封處存在外界污染物入侵現象的信息，以及送樣軸承B側潤滑脂較A側變質更加嚴重和軸承滾子、滾道未見明顯高溫的現象，推測外部污染物進入軸承導致潤滑脂失效，進而引發保持架斷裂失效。

（5）通過電鏡檢查，軸承B列內圈滾道和滾子損傷為擠壓、剝落和磨損，沒有電蝕損傷特征。

3 結論

通過對失效軸承外觀、尺寸、掃描電鏡及潤滑脂等檢驗，發現軸承失效原因是軸承外部污染物進入軸承導致潤滑脂失效，進而引起軸承保持架斷裂和滾道的損傷。