和諧與先鋒號動車組牽引電機(jī)潤滑脂對軸承運(yùn)行的影響分析

高興, 曹君慈, 張奕黃, 高培慶，劉瑞芳

(1.南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044;3.南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

1 前言

隨著動車組的車速不斷提高，動車組走行部分的可靠性變得尤為重要，安全隱患也更為突出[1]。輪對軸箱軸承和牽引電機(jī)軸承是動車組走行部分的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)故障，輕則造成機(jī)損事故，影響鐵路的正點(diǎn)運(yùn)行，重則發(fā)生切軸、列車顛覆等重大事故，給國家和人民生命財產(chǎn)帶來無法估量的損失。滾動軸承損傷的監(jiān)測和理論分析已有學(xué)者作了大量的工作[2-5]，但對高速動車組軸承的檢測和分析缺乏有效的手段，國內(nèi)、外主要軸承廠家和研究機(jī)構(gòu)采用的均是實驗室臺架試驗，通過模擬高速列車的運(yùn)行工況來驗證軸承的安全性[6-9]。

圖1為動車組牽引電機(jī)簡圖，牽引電機(jī)傳動端和非傳動端各有1套軸承，均采用脂潤滑。

圖1 牽引電機(jī)簡圖

以和諧200 km/h和先鋒號動車組為例，牽引電機(jī)軸承和潤滑脂的主要數(shù)據(jù)見表1。

表1 和諧與先鋒號動車組軸承數(shù)據(jù)表

按現(xiàn)代潤滑理論，充分潤滑是軸承正常工作的保證。試驗表明，只有正確選擇和使用潤滑劑，才能在軸承摩擦副之間形成具有足夠強(qiáng)度的油膜。優(yōu)質(zhì)潤滑脂在軸承摩擦副之間能維持微磨損，潤滑脂中的添加劑可以對輕微的磨損及時修補(bǔ)、拋光。由于降低了軸承磨損，再加上油脂的抗氧化、抗水解的特殊性能，油脂內(nèi)部基油分子之間的動態(tài)損耗小，這樣的油脂可以顯著延長軸承的加油周期及軸承壽命。

下文通過對和諧200 km/h與先鋒號動車組牽引電機(jī)軸承進(jìn)行臺架試驗，分析軸承在不同運(yùn)行工況下的特性，并通過對軸承和潤滑脂的成分檢測與分析，研究和諧200 km/h牽引電機(jī)軸承采用的UNIMAX R NO.2脂和先鋒號采用的UPG 2脂對軸承運(yùn)行壽命的影響，并對潤滑脂成分提出指導(dǎo)性的意見。

2 牽引電機(jī)軸承臺架試驗

2.1 試驗條件

圖2為牽引電機(jī)軸承試驗臺主機(jī)部分框圖，另有控制柜進(jìn)行試驗條件的加載，包括載荷和轉(zhuǎn)速的設(shè)置和控制，記錄儀實時記錄軸承不同部位的溫度和振動數(shù)據(jù)。

圖2 牽引電機(jī)軸承試驗臺主機(jī)部分框圖

2.2 試驗方法

(1)溫升特性試驗。在軸向和徑向載荷固定的條件下，使轉(zhuǎn)速呈階梯狀提高，考察軸承在相應(yīng)速度下的溫升。

(2)耐久性試驗。在某一特定轉(zhuǎn)速、軸向和徑向載荷條件下進(jìn)行長達(dá)數(shù)月的試驗，考察潤滑脂和軸承的耐久性能。

2.3 試驗方案

試驗使用同一套軸承，徑向加載2 600 N。先在常溫下進(jìn)行18 h的溫升試驗，然后停機(jī)，直到試驗裝置各部分的溫度恢復(fù)到常溫狀態(tài)后，再通過電阻絲加熱使兩端軸承溫度維持在100 ℃進(jìn)行耐久性試驗，持續(xù)運(yùn)行3 000 h以上，以考察潤滑脂能否滿足軸承持續(xù)運(yùn)行9×105km。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 溫升試驗

和諧200 km/h動車組牽引電機(jī)軸承(表1)溫升試驗的溫度、振動曲線如圖3所示(圖中g(shù)為重力加速度，下同)。從圖中可以看出，深溝球軸承的溫升高于圓柱滾子軸承的溫升，但各位置的溫升較低，沒有超過溫度限值，溫升試驗正常。

2-F-FR為徑向載荷下軸承座溫度；2-B-O-1為6311軸承外圈溫度；2-B-O-2為6311軸承絕緣層內(nèi)的外圈溫度；2-B-I為6311軸承內(nèi)圈溫度；2-R-O-I為NU214軸承外圈溫度；2-R-O-2為NU214軸承絕緣層內(nèi)的外圈溫度；2-R-I為NU214軸承內(nèi)圈溫度；2-B-GR為6311軸承徑向振動；2-R-GR為NU214軸承徑向振動(下同)

先鋒號動車組牽引電機(jī)軸承溫升試驗轉(zhuǎn)速一直到7 210 r/min(相當(dāng)于車速414 km/h)，在此過程中無顯著的溫升，說明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀況正常。表2為各轉(zhuǎn)速(時速)下記錄的最高溫度，在5 750 r/min ( 車速330 km/h)時軸承溫度最高，但仍在許用溫度以內(nèi)。另外，在7 210 r/min時溫度反而變低，可以認(rèn)為是軸承內(nèi)部的油脂由于高速旋轉(zhuǎn)而排出，油脂黏度阻尼變小所致。

表2 先鋒號動車組牽引電機(jī)軸承溫升試驗的最高溫度記錄

3.2 耐久性試驗

和諧200 km/h動車組牽引電機(jī)軸承的耐久性試驗的振動曲線如圖4所示，圖4a為一階段試驗，持續(xù)運(yùn)行了1 500 h，圖4b為二階段試驗，預(yù)設(shè)在第一階段基礎(chǔ)上再持續(xù)運(yùn)行1 500 h，但由于軸承振動超限，試驗僅僅持續(xù)了300 h，也即進(jìn)行了總計1 800 h的耐久性試驗。

從圖4中可以看出，在一階段試驗的1 500 h過程中，軸承出現(xiàn)了一些振動突變的情況，振幅超過40g(g為重力加速度，下同)；在二階段的試驗中振幅多次超過40g，6311軸承振動大于NU214軸承，高達(dá)60g，說明軸承潤滑狀態(tài)已經(jīng)不正常，不能持續(xù)運(yùn)行到9×105km。

圖4 和諧200 km/h動車組牽引電機(jī)軸承振動曲線

先鋒號動車組牽引電機(jī)軸承經(jīng)超過10×105km走行距離的3 500 h試驗后，振動值一直較低，運(yùn)轉(zhuǎn)正常(圖5)。

圖5 先鋒號動車組牽引電機(jī)軸承振動曲線

3.3 試驗軸承分析

3.3.1 和諧200 km/h動車組

試驗后對軸承進(jìn)行解體檢查，圖6為2套試驗軸承的外觀。

圖6 試驗后軸承外觀

從圖6可以看出，NU214/C4軸承內(nèi)、外圈和滾子的滾動表面保持了較好狀態(tài)；由于高頻超差導(dǎo)致6311軸承鋼球表面受到嚴(yán)重的破壞。鋼球磨損嚴(yán)重，磨損特征主要為嚴(yán)重的黏著擦傷，并已被高溫氧化和局部熔融而形成黑色的塊狀顆粒，以及在大量試驗過程中經(jīng)反復(fù)研磨成為細(xì)小的氧化物顆粒；鍍層脫落表面可見明顯磨痕，保持架與鋼球有過很強(qiáng)摩擦，導(dǎo)致鋼球鍍層材料黏附于保持架的兜孔表面(圖7)。

圖7 鋼球嚴(yán)重磨損(鍍層黏附于保持架上)

表3為軸承尺寸的允許偏差和測量偏差值，試驗后尺寸精度都在所要求的范圍內(nèi)。

表3 軸承尺寸精度測定結(jié)果 mm

3.3.2 先鋒號動車組

耐久試驗后軸承的外觀形貌如圖8所示。可以看出，內(nèi)、外圈滾道面及滾子表面均無剝離等致命缺陷，滾子表面產(chǎn)生的輕微痕跡可能是耐久試驗?zāi)┢跐櫥瑺顩r變差所致。檢測結(jié)果表明，試驗后各尺寸與初始值相比均未發(fā)生明顯改變。

圖8 耐久性試驗后軸承外觀

表4為耐久試驗后軸承尺寸允許的偏差和測量的偏差值。

表4 耐久試驗后的尺寸測量結(jié)果 mm

由于深溝球軸承的內(nèi)、外圈不可分離(鉚接保持架緣故)，故不能確認(rèn)軸承內(nèi)部狀況。但試驗后軸承轉(zhuǎn)動狀態(tài)依然良好，據(jù)此可以斷定軸承內(nèi)部沒有產(chǎn)生致命的缺陷。試后檢測表明，各尺寸與初始值相比均未發(fā)生明顯變化。

3.4 潤滑脂化驗

表5給出了和諧200 km/h動車組軸承試驗后潤滑脂的檢測結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，2種軸承內(nèi)部的潤滑脂均已嚴(yán)重劣化。尤其是球軸承出現(xiàn)200～300 μm的凝膠狀氧化物、大量黑色氧化物顆粒和嚴(yán)重黏著磨損顆粒破壞嚴(yán)重，不能繼續(xù)使用，軸承不能持續(xù)運(yùn)行到9×105km。

表5 和諧號軸承潤滑脂分析結(jié)果

表6為先鋒號動車組軸承試驗后潤滑脂化驗結(jié)果，F(xiàn)e、Cu在油脂中的含量及黏度值均在容許范圍內(nèi)。鑒于試驗溫升不明顯，可以認(rèn)為依靠油脂密封腔內(nèi)的油分就能保證其潤滑性能。相對NU213而言， 6311潤滑油脂劣化程度小一些，這可能是由于保持架材質(zhì)不同所致。

表6 先鋒號軸承的潤滑脂分析結(jié)果

根據(jù)和諧200 km/h動車組牽引電機(jī)軸承以及潤滑脂的試驗結(jié)果可得出以下結(jié)論：(1)軸承及潤滑脂的溫升試驗正常，能滿足高速運(yùn)行工況；(2) 圓柱滾子和球軸承潤滑脂嚴(yán)重劣化，含F(xiàn)e嚴(yán)重超標(biāo)，圓柱滾子軸承內(nèi)的潤滑脂含F(xiàn)e超標(biāo)296%，球軸承內(nèi)含F(xiàn)e超標(biāo)3 072%；(3)軸承不具備持續(xù)運(yùn)行9×105km的耐久性。

根據(jù)先鋒號牽引電機(jī)軸承以及潤滑脂的試驗結(jié)果可得出以下結(jié)論：(1)軸承及潤滑脂能夠滿足8 800 r/min轉(zhuǎn)速下在許用溫度內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)； (2)軸承具有2×106km以上的耐久性以及潤滑脂具有1×106km的耐久性。

4 結(jié)束語

通過對和諧200 km/h和先鋒號動車組牽引電機(jī)軸承和潤滑脂的試驗可以看出：

(1)軸承運(yùn)行時的振動加速度≤40g，溫度≤120 ℃是安全的。

(2)當(dāng)軸承振動加速度發(fā)生突變時，可能預(yù)示軸承滾道面潤滑膜受到破壞，若破壞沒有及時修復(fù)，軸承將運(yùn)行在不安全的區(qū)域，而此時軸承溫度并不高，因此振動比溫度更能反映高速牽引電機(jī)軸承的故障征兆。

(3)在潤滑壽命方面，UPG No.2脂較Unimax R No.2脂高；在溫升方面，UPG No.2脂較新干線牽引電機(jī)軸承使用的Unimax R No.2脂低。

(4)應(yīng)優(yōu)先采用具有自修復(fù)功能的潤滑脂(如UPG No.2)，其對運(yùn)行中出現(xiàn)的輕微擦傷可以自行修復(fù)。

(5)優(yōu)先采用憎水型潤滑脂(如UPG No.2)，降低潤滑層中由于水分在高速接觸點(diǎn)的瞬間高溫破壞作用，提高動車牽引電機(jī)軸承的運(yùn)行安全性。