提速鐵路貨車軸承的失效形式分析及對(duì)策

朱愛(ài)華，朱成九

(華東交通大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院; b.土建工程學(xué)院,南昌 330013)

隨著鐵路運(yùn)輸車輛的運(yùn)行速度不斷提高，鐵路貨車的構(gòu)造速度達(dá)到120～160 km/h，載重也向70 t及以上發(fā)展。目前鐵路貨車輪對(duì)軸承型號(hào)主要有353130B，352226X2-2RZ等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，貨車提速后，輪對(duì)軸承的失效形式主要有內(nèi)、外圈及滾動(dòng)體的剝落，密封故障，保持架故障，輾皮及熱變色，分別占故障軸承的66.29%，9.15%，8.26%，5.58%和3.79%，上述5大故障共占故障軸承的93.07%。所以對(duì)提速鐵路貨車軸承的失效影響因素進(jìn)行分析并找出改進(jìn)措施，對(duì)降低輪對(duì)軸承的故障率，保證鐵路貨車提速后運(yùn)行的安全性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 軸承失效形式分析

1.1 剝落

剝落是軸承零件工作表面在高接觸應(yīng)力的循環(huán)作用下所產(chǎn)生的金屬片狀剝落現(xiàn)象[1-2]，其具有一定的深度和面積，表面呈凹凸不平鱗狀，且具有尖銳的溝角，通常呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征的海灘狀條紋。軸承剝落形式主要有條狀剝落、點(diǎn)狀剝落、片狀剝落和塊狀剝落等[3]。

圖1所示塊狀剝落的主要原因是軸承組件的原材料純凈度低。建議鋼廠降低軸承鋼中的氧含量，同時(shí)優(yōu)化原材料冶煉中的脫氧方式。

圖1 塊狀剝落

圖2所示魚鱗狀剝落的主要原因是熱處理工序控制不當(dāng)，建議軸承制造單位對(duì)熱處理關(guān)鍵工序進(jìn)行有效控制。

圖2 魚鱗狀剝落

圖3所示規(guī)則的片狀剝落的特征是滾道上的剝落面積較大且均勻，無(wú)明顯剝落源，屬于正常的滾動(dòng)接觸疲勞損壞，主要原因是載荷過(guò)大或外圈蠕動(dòng)。

圖3 規(guī)則的片狀剝落

圖4 所示不規(guī)則的片狀剝落的特征是滾道上的剝落面積較大且形狀不規(guī)則，運(yùn)行時(shí)間短。主要原因是磷化腐蝕和銹蝕，建議軸承制造單位對(duì)磷化關(guān)鍵工序進(jìn)行有效控制，并注意輪對(duì)及軸承的防護(hù)。

圖4 不規(guī)則的片狀剝落

圖5所示壓痕產(chǎn)生的條狀剝落的特征是在壓痕處有剝落，認(rèn)為是軸承在運(yùn)輸或工作中受到高的接觸載荷或異常沖擊載荷，先在滾道上產(chǎn)生壓痕，而后工作中在壓痕處產(chǎn)生剝落。因此車輛造修單位應(yīng)加強(qiáng)車輪踏面的檢查，減少工作中車輪踏面擦傷或剝落。

圖5 壓痕產(chǎn)生的條狀剝落

圖6所示壓裝產(chǎn)生的多條條狀剝落的特征是多條條狀剝落與滾子的位置基本對(duì)應(yīng)，認(rèn)為是軸承壓裝中造成內(nèi)、外圈及滾子產(chǎn)生接觸應(yīng)力，先在滾道上產(chǎn)生壓痕，而后工作中在壓痕處產(chǎn)生剝落。 建議車輛造修單位在軸承壓裝時(shí)，一要保證壓力機(jī)活塞中心線與車軸中心線一致；二要邊壓裝邊旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)不靈活時(shí)應(yīng)退下檢查。

圖6 壓裝產(chǎn)生的多條條狀剝落

圖7 所示條狀片狀混合剝落的特征是在條狀剝落的周圍存在片狀剝落，認(rèn)為是先形成了條狀剝落，再在工作中形成片狀剝落。

圖7 條狀片狀混合剝落

圖8 所示線狀剝落的特征是在滾道上僅有一條很細(xì)的剝落，主要出現(xiàn)在滾子上，認(rèn)為是原材料中存在原始裂紋引起，使用中在裂紋處出現(xiàn)剝落。因此軸承制造單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原材料的探傷檢查。

圖8 線狀剝落

1.2 密封故障

密封故障主要表現(xiàn)形式為密封罩松動(dòng)、摩擦(圖9)、裂損(圖10)及密封不良。

圖9 密封摩擦

(1) 密封罩松動(dòng)[4-7]主要原因是密封罩配合過(guò)盈量不足或組裝過(guò)程中密封罩凸臺(tái)被剪切。在密封壓裝時(shí)，密封罩外徑與外圈牙口、外油封與密封罩的過(guò)盈量選配不足，會(huì)出現(xiàn)密封罩的扭矩不足，造成工作中密封罩或油封松動(dòng)；當(dāng)過(guò)盈量偏大時(shí)，組裝密封罩時(shí)可能會(huì)由于壓力過(guò)大而剪切密封罩凸臺(tái)。因此軸承造修單位應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行選配，保證配合過(guò)盈量符合要求，尤其是大修軸承。

圖10 密封裂損

(2) 油封組裝不當(dāng)。在進(jìn)行油封壓裝時(shí)，因設(shè)備調(diào)試、工裝安裝或人員操作不當(dāng)，造成油封唇口翻卷或間隙不符合規(guī)定，造成工作中相互摩擦；或因密封罩組裝機(jī)的壓頭位置不當(dāng)造成組裝密封罩時(shí)位置壓偏的情況，此時(shí)極可能會(huì)發(fā)生一邊的凸臺(tái)被剪切，另一邊密封罩壓入偏深的情況。因此軸承造修單位應(yīng)加強(qiáng)組裝質(zhì)量。

(3) 緊固軸承內(nèi)圈的前蓋和后擋護(hù)緣內(nèi)徑未補(bǔ)充加工、凹槽深度超限。352226X2-2RZ型軸承在裝用迷宮式橡膠油封時(shí)，要求前蓋和后擋的護(hù)緣內(nèi)徑應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充加工，安裝密封座的凹槽深度要嚴(yán)格檢查。但實(shí)際中護(hù)緣內(nèi)徑未補(bǔ)充加工、凹槽深度超限的前蓋和后擋仍然存在，造成工作中外油封外端面與前蓋和后擋內(nèi)側(cè)面相互摩擦。因此車輛造修單位應(yīng)嚴(yán)格檢查前蓋和后擋護(hù)緣內(nèi)徑及凹槽深度。

(4) 在軸承檢修拆罩、清洗等過(guò)程中裝配過(guò)盈量小的油封組件被磕碰，使油封相對(duì)于密封罩發(fā)生移位。

(5) 工作中產(chǎn)生的異常沖擊造成密封罩或油封竄出。車輪踏面擦傷或剝落產(chǎn)生的沖擊會(huì)造成密封罩或油封竄出，車輛在運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)有蛇行運(yùn)動(dòng)，蛇行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軸向力經(jīng)過(guò)傳遞作用于承載鞍、軸承外圈。由于軸承有不超過(guò)0.75 mm的軸向游隙，因此，軸承及密封罩會(huì)有一定的軸向位移，特別是向外側(cè)移動(dòng)時(shí)，有可能由于軸向力過(guò)大出現(xiàn)間斷的前蓋與密封罩摩擦。因此車輛造修單位應(yīng)加強(qiáng)車輪踏面的檢查，避免工作中車輪踏面擦傷或剝落；保證密封罩與外油封的制造精度；嚴(yán)格執(zhí)行組裝技術(shù)要求，外油封、密封罩在裝用前必須在軸承組裝間內(nèi)同溫8 h以上，并認(rèn)真進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查；保證裝配過(guò)盈量，內(nèi)、外油封壓裝后必須使用油封組件檢查裝置檢查其接觸狀態(tài)。

1.3 保持架故障

保持架裂損的主要原因有以下幾個(gè)方面。

(1)軸承出現(xiàn)甩油[8-9]。若密封罩在安裝中與外圈的配合過(guò)盈量不夠，或者與外圈牙口結(jié)合的凸邊被磨耗，將導(dǎo)致密封罩脫出，在運(yùn)行或裝卸過(guò)程中受到?jīng)_擊將導(dǎo)致密封罩出現(xiàn)變形，而密封罩松動(dòng)和變形會(huì)造成軸承出現(xiàn)甩油。甩油后會(huì)使軸承內(nèi)部潤(rùn)滑效果降低，使?jié)L子和保持架的摩擦和沖擊力加大，從而導(dǎo)致保持架破損。

(2)車輪踏面出現(xiàn)擦傷和剝落。機(jī)車在制動(dòng)過(guò)程中操作不當(dāng)、同一列車制動(dòng)機(jī)型號(hào)不同、閘瓦厚度磨耗超限、個(gè)別車輛緩解不良、空重車手把位置不正確等都將造成車輪踏面擦傷等缺陷，從而加大輪軌間的振動(dòng)沖擊，而此振動(dòng)沖擊力又與車輛的運(yùn)行速度和載重量成正比，車輛運(yùn)行速度越高，沖擊力越大。貨物超載越嚴(yán)重，輪軌間沖擊力也就越大，而增大的輪軌間的振動(dòng)沖擊力將導(dǎo)致保持架破損。

(3)材質(zhì)和制造質(zhì)量不良。

(4)保持架受外力被損傷。

建議車輛造修單位應(yīng)加強(qiáng)車輪踏面的檢查，避免工作中車輪踏面擦傷或剝落；保持架制造單位要加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制。

1.4 麻點(diǎn)及輾皮故障

麻點(diǎn)及輾皮故障如圖11所示，主要出現(xiàn)在軸承內(nèi)、外滾道面和滾子滾動(dòng)面，尤以滾子滾動(dòng)面上最為常見(jiàn)。麻點(diǎn)的形態(tài)特征是呈現(xiàn)黑色針狀凹坑，有一定深度，個(gè)別存在或密集分布。輾皮則是在零件工作表面上呈現(xiàn)不規(guī)則形狀的極薄的表面起皮或剝落現(xiàn)象。輾皮后的金屬表面失去原有光澤，表面粗糙度增大。其主要原因是金屬表面出現(xiàn)早期疲勞，由于滾動(dòng)接觸應(yīng)力的作用，滑動(dòng)摩擦?xí)菇饘俅伪韺有纬晌⒘鸭y，逐漸發(fā)展成凹坑狀的微小剝落，以及產(chǎn)生極淺層的疲勞剝落；其他原因有材質(zhì)熱處理不良，潤(rùn)滑脂選擇不當(dāng)或潤(rùn)滑不良，過(guò)載應(yīng)力作用等。建議軸承造修單位應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行注脂和勻脂工藝，在軸承壓裝后應(yīng)對(duì)輪軸按規(guī)定進(jìn)行跑合等。

圖11 麻點(diǎn)及輾皮

1.5 熱變色

熱變色為由于溫度升高致使零件表面產(chǎn)生氧化的現(xiàn)象，如圖12所示。其常出現(xiàn)在軸承內(nèi)、外滾道面和滾子滾動(dòng)面，其變色部位局部或全部呈現(xiàn)淡黃色、黃色、棕紅色、紫藍(lán)色及藍(lán)色。嚴(yán)重變色將導(dǎo)致表面硬度降低。主要原因有軸承潤(rùn)滑不良或油脂老化變質(zhì)，密封結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，接觸狀態(tài)不良及工作中存在異常摩擦導(dǎo)致溫度升高。因此軸承造修單位應(yīng)淘汰接觸式密封，采用Ⅳ型潤(rùn)滑脂，并嚴(yán)格執(zhí)行注脂和勻脂工藝等。

圖12 熱變色故障

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)提速鐵路貨車輪對(duì)軸承在實(shí)際工作中容易出現(xiàn)的剝落、密封罩松動(dòng)及裂損等的失效原因進(jìn)行分析，找出失效的影響因素,并有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，從而延長(zhǎng)軸承的使用壽命。造成貨車輪對(duì)軸承失效的原因很多,有潤(rùn)滑不良、材質(zhì)不良、污染、嚴(yán)重過(guò)載、裝配不當(dāng)、運(yùn)輸或裝卸過(guò)程中發(fā)生的沖擊和碰撞、使用和維護(hù)不當(dāng)?shù)取?duì)失效的軸承,應(yīng)該從設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用和維護(hù)各個(gè)階段找尋原因，并采取相應(yīng)對(duì)策，降低輪對(duì)軸承的故障率，從而保證鐵路貨車提速后運(yùn)行的安全性。