鐵路客車軸承NJ3226早期失效分析

尤紹軍

(瓦房店軸承集團有限責任公司 技術中心，遼寧 瓦房店 116300)

鐵路客車軸承是保證鐵路客車正常運行的關鍵部件，其在鐵路客車運行過程中最易失效，早期失效事故屢有發(fā)生，且?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失甚至安全事故。為提高其可靠性，降低其早期失效事故率始終是鐵路客車軸承研究的重要課題?，F(xiàn)對鐵路客車用NJ3226軸承的早期失效進行分析，以期找到改進辦法。

1 早期失效模式統(tǒng)計

鐵路客車車軸每端各安裝一套NJ3226和NJP3226軸承(圖1)，軸承除承受車體全部重量外，還要承受客車運行過程中產(chǎn)生的軸向和徑向沖擊載荷。

圖1 鐵路客車軸承在車軸上的裝配圖

NJ3226和NJP3226軸承于2005年11月至2009年8月間發(fā)生的共40例早期失效事故，失效形式全部是滾道早期疲勞剝落。這些軸承實際裝車運行時間均不到2年，產(chǎn)生早期疲勞剝落的比例約為0.2%。發(fā)生早期失效的軸承主要是NJ3226，占失效軸承總數(shù)的96%，內(nèi)滾道疲勞剝落所占比例為87%，疲勞剝落主要發(fā)生在距擋邊約8 mm滾道處，如圖2所示。外滾道和滾子的早期剝落也主要發(fā)生在與內(nèi)圈對應的滾道部位。早期失效的NJ3226和NJP3226軸承按失效模式的分類統(tǒng)計見表1。

圖2 NJ3226內(nèi)圈滾道早期疲勞剝落照片

表1 鐵路客車軸承早期失效分類統(tǒng)計

2 失效分析

早期疲勞剝落主要發(fā)生在NJ3226軸承內(nèi)滾道距擋邊約8 mm處，非常有規(guī)律，這說明軸承的過早失效有系統(tǒng)因素的作用。而由磨削燒傷和材料缺陷造成的早期疲勞剝落應在滾道上隨機分布。對多件NJ3226和NJP3226失效零件進行檢驗分析，未發(fā)現(xiàn)任何磨削燒傷和材料缺陷，故早期失效不是由磨削燒傷和材料缺陷所致。

對早期失效軸承和正常軸承的內(nèi)、外圈熱處理質量進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)早期失效軸承的熱處理質量良好，與正常軸承的熱處理質量無明顯差別，說明軸承的早期失效不是由熱處理質量造成的。

對20多套正常軸承的內(nèi)圈、外圈和滾子等零件的幾何尺寸進行了全面檢測，發(fā)現(xiàn)NJ3226內(nèi)圈滾道的素線兩端均向下傾斜約1～2 μm(設計為直線)，過渡區(qū)正好位于距內(nèi)圈擋邊8～10 mm的滾道處(圖3)；滾子素線有過修正的問題，其兩端有約8 mm的斜坡(圖4)，設計的滾子素線如圖5所示。對滾子素線形狀進行糾正后，仍沒有解決問題，但可以肯定NJ3226軸承滾子和內(nèi)滾道的素線的加工質量是造成其過早失效的系統(tǒng)因素之一。由于軸承的過早失效率非常低，因此，從上述分析可知，NJ3226軸承的過早失效是由復雜的多因素耦合作用的結果。

圖3 NJ3226內(nèi)圈滾道素線

圖4 NJ3226滾子素線

圖5 滾子設計的外形尺寸

3 受力分析

車軸的運動受力狀態(tài)如圖6所示。圖中F1，F(xiàn)4是車軸受到的徑向沖擊載荷；F2，F(xiàn)5是鐵路客車質量對車軸的壓力；F3，F(xiàn)6是鐵路客車車輪對車軸的支持力；F7是軸向沖擊載荷。F2，F(xiàn)5分別與F3，F(xiàn)6平衡；M1，M2是F2與F3和F5與F6由于作用點不同而產(chǎn)生的附加力矩，使車軸產(chǎn)生一定的撓曲變形，如圖7所示。軸向和徑向沖擊載荷是變化載荷，其值受路況、客車載質量和運行速度等影響。F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5通過安裝在車軸端的NJ3226和NJP3226軸承傳遞給車軸。

圖6 車軸的運動受力狀態(tài)

圖7 車軸的撓曲變形

不考慮鐵路客車車軸的撓曲變形時，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)5在軸承NJ3226和NJP3226內(nèi)部產(chǎn)生的應力分布如圖8所示(這里僅分析了內(nèi)圈的應力分布，外圈和滾子的應力分布與此對稱)。

圖8 內(nèi)圈應力分布狀態(tài)

圖9 車軸撓曲變形引起的軸承內(nèi)部應力集中

圖10 滾子的受力狀態(tài)

此外，多數(shù)用戶在安裝時，一般選擇NJ3226的內(nèi)圈滾道直徑比NJP3226的內(nèi)圈滾道直徑大0.005 mm，以便增加NJ3226內(nèi)圈的受力，減小軸頸的撓曲變形。任何接觸應力的增加，都可能導致軸承疲勞壽命的急劇降低[1]。因此，這個措施也是造成鐵路客車軸承早期疲勞剝落主要發(fā)生在NJ3226軸承上的因素之一。

4 結果與分析

鐵路客車軸承發(fā)生早期疲勞剝落的比例約為0.2%，這說明，在軸承運行狀態(tài)正常的情況下，雖然有導致NJ3226軸承過早失效的系統(tǒng)因素存在，但這些系統(tǒng)因素不足以導致軸承產(chǎn)生早期疲勞剝落，而是其與另外一個或幾個偶然因素疊加導致了極小比例的鐵路客車軸承的早期疲勞失效。這些偶然因素分為以下兩種類型。(1)軸承各零件加工尺寸的離散性。例如，NJP3226，NJ3226軸承徑向游隙為0.12～0.17 mm，如果配對使用的NJP3226，NJ3226一對軸承中，NJP3226軸承徑向游隙較大，而NJ3226軸承的徑向游隙較小，必然導致NJ3226軸承承受的載荷增加，NJP3226軸承承受的載荷減小。(2)軸承的材料、熱處理、磨削燒傷等質量缺陷。例如材料內(nèi)部的細小夾雜物、輕微的網(wǎng)狀和帶狀碳化物、局部輕微的脫貧碳和局部輕微的燒傷等。這些質量缺陷會導致NJ3226內(nèi)圈滾道疲勞強度降低。

5 改進措施及效果

(1)嚴格控制NJ3226，NJP3226軸承的徑向游隙，防止配對軸承由于徑向游隙偏差導致NJ3226承受的載荷進一步增加，提高載荷在NJ3226， NJP3226軸承之間分布的均勻性。

(2) 在組配安裝軸承時，不應使NJ3226軸承內(nèi)圈滾道直徑比NJP3226軸承內(nèi)圈滾道直徑大0.005 mm。

(3)嚴格控制NJ3226內(nèi)圈滾道的傾斜度在公差之內(nèi)，該傾斜度從擋邊到小端面應由低到高。

(4)杜絕NJ3226軸承內(nèi)圈滾道素線兩端向下傾斜。

(5)嚴格按圖紙加工滾子素線形狀，防止?jié)L子素線的過修正。

(6)減小軸承內(nèi)圈、外圈和滾子等零件尺寸公差和形位公差的離散性。

通過對軸承生產(chǎn)和安裝的嚴格控制，NJ3226和NJP3226軸承早期失效事故率降低了60%。

6 結束語

通過對NJ3226鐵路客車軸承早期失效案例的分析，認為該軸承極小比例的早期失效是軸承滾子和內(nèi)滾道素線的加工質量及鐵路客車車軸的撓曲變形這些系統(tǒng)因素與軸承各零件加工尺寸的離散性和軸承的材料、熱處理、磨削燒傷等質量缺陷這些偶然因素疊加耦合造成的。通過對軸承生產(chǎn)和安裝的嚴格控制，可以有效地提高鐵路客車軸承的可靠性。