典型工況下機(jī)車牽引電機(jī)軸承潤(rùn)滑油失效機(jī)理初步分析

郭四洲，毛曉軍

（南車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001）

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備

典型工況下機(jī)車牽引電機(jī)軸承潤(rùn)滑油失效機(jī)理初步分析

郭四洲，毛曉軍

（南車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001）

從潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)知識(shí)、軸承失效形式及機(jī)理等方面入手，重點(diǎn)分析機(jī)車牽引電機(jī)軸承潤(rùn)滑油在典型工況下的失效機(jī)理，找出機(jī)車牽引電機(jī)軸承潤(rùn)滑油在典型工況下的主要性能指標(biāo)、檢測(cè)方法以及各種試驗(yàn)規(guī)范，為典型工況下，軸承潤(rùn)滑油的失效分析提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

典型工況；電機(jī)軸承；潤(rùn)滑油；失效機(jī)理分析

1 潤(rùn)滑油基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

1.1 潤(rùn)滑油的組成

當(dāng)前機(jī)車牽引電機(jī)產(chǎn)品所用的潤(rùn)滑油都是合成潤(rùn)滑油，其主要由合成基礎(chǔ)油與特選的添加劑調(diào)和而成。合成油一般是一種純化合物，如圖1分子模型所示，相對(duì)礦物基礎(chǔ)油，合成基礎(chǔ)油的分子大小、排列很有規(guī)律，合成基礎(chǔ)油的黏溫性和低溫流動(dòng)性、高溫抗氧化性、機(jī)械穩(wěn)定性、抗剪切的能力均要比礦物潤(rùn)滑油好[1]。

1.2 潤(rùn)滑油選型基本原則

機(jī)車牽引電機(jī)軸承一般采用飛濺潤(rùn)滑的方式，潤(rùn)滑油選型取決于軸承工作轉(zhuǎn)速、承載負(fù)荷、溫度與環(huán)境等，具體應(yīng)遵循以下原則：

1）工作轉(zhuǎn)速：高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可選用低粘度的潤(rùn)滑油。粘度過(guò)低，則低速啟動(dòng)潤(rùn)滑不良的時(shí)間更長(zhǎng)，承載能力下降，摩擦磨損加??；低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可選用高粘度的潤(rùn)滑油，靠油的粘度來(lái)承載負(fù)荷，粘度過(guò)高，低速時(shí)不能形成飛濺潤(rùn)滑，高速時(shí)產(chǎn)生的阻抗大、發(fā)熱量多、會(huì)導(dǎo)致溫度過(guò)高。

2）承載負(fù)荷：一般負(fù)荷越大選用潤(rùn)滑油的粘度越高。低速重載應(yīng)考慮油品允許承載的能力。

3）溫度：溫度變化大時(shí)，應(yīng)選用粘度指數(shù)高的油品，高溫條件下應(yīng)選用粘度和閃點(diǎn)高、油性和抗氧化穩(wěn)定性好，有相應(yīng)添加劑的油品。低溫條件下應(yīng)選用粘度低水分少、凝固點(diǎn)低的耐低溫油品。

圖1 分子模型

4）環(huán)境：潮濕環(huán)境及有氣霧的環(huán)境應(yīng)選用抗乳化性強(qiáng)、油性及防銹性好的油品，粉塵較大的環(huán)境應(yīng)注意防塵密封。有腐蝕性氣體的環(huán)境應(yīng)選擇抗腐蝕性能好的油品。

1.3 潤(rùn)滑狀態(tài)分類[2]

根據(jù)滾動(dòng)軸承摩擦副表面形成的潤(rùn)滑膜的狀態(tài)和特征，潤(rùn)滑狀態(tài)分為三類：邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。一般用膜厚比來(lái)表征，所謂膜厚比是油膜厚度與綜合表面粗糙度之比，用字母“λ”表示。

1）邊界潤(rùn)滑：是指摩擦副對(duì)偶表面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，其摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦，其膜厚比λ≤1 。見(jiàn)圖2。

2）流體動(dòng)壓潤(rùn)滑：是指兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副對(duì)偶表面被潤(rùn)滑劑完全隔開(kāi)的流體潤(rùn)滑。其膜厚比λ>3。

3）混合潤(rùn)滑：介于邊界潤(rùn)滑和流體動(dòng)壓潤(rùn)滑之間的潤(rùn)滑。其膜厚比1<λ≤3 。

2 軸承磨損形式[3]

通常將磨損劃分為4種基本類型：黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損；而電蝕磨損、微動(dòng)磨損作為2種特殊的磨損形式。

圖2 λ≤1 邊界潤(rùn)滑

2.1 黏著磨損（見(jiàn)圖3）

當(dāng)摩擦副對(duì)偶面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于黏著效應(yīng)所形成的結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象稱為黏著磨損。

接觸—塑性變形—黏著—剪斷黏著點(diǎn)—材料轉(zhuǎn)移—再黏著，循環(huán)不斷進(jìn)行，構(gòu)成黏著磨損過(guò)程。

圖3 黏著磨損

2.2 磨粒磨損（見(jiàn)圖4）

磨粒磨損是指外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過(guò)程中引起表面材料的脫落現(xiàn)象。

圖4 磨粒磨損

主要失效機(jī)理：①法向載荷將磨料壓入摩擦表面，滑動(dòng)時(shí)磨料對(duì)表面產(chǎn)生切削作用，材料脫離表面形成磨屑；②磨料在載荷作用下壓入摩擦表面而產(chǎn)生壓痕，滑動(dòng)時(shí)使表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，壓痕兩側(cè)材料受到損傷，因而易從表面擠出或剝落；③摩擦表面在磨料產(chǎn)生的循壞接觸應(yīng)力作用下，表面材料開(kāi)始出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)大，最后從表面剝離。

2.3 疲勞磨損（見(jiàn)圖5）

兩個(gè)相互滾動(dòng)或滾動(dòng)兼滑動(dòng)的摩擦表面在交變接觸應(yīng)力的作用下，表層產(chǎn)生塑性變形，在表層薄弱處引起裂紋，裂紋不斷擴(kuò)大并發(fā)生斷裂，而造成的點(diǎn)蝕或剝落的現(xiàn)象。

對(duì)于滾動(dòng)兼有滑動(dòng)的接觸表面，因同時(shí)存在接觸壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，使接觸應(yīng)力增大，故在摩擦表面上容易產(chǎn)生塑性變形而形成微觀裂紋，有時(shí)雖然摩擦副的表面剪切應(yīng)力不大，但因表面缺陷、高溫或脫碳等原因，使表面局部變?nèi)?，也容易在表面形成裂紋。

圖5 疲勞磨損

在已形成微裂紋的表面，當(dāng)有潤(rùn)滑油時(shí)，由于毛細(xì)管作用，微裂紋吸附潤(rùn)滑油，使得微裂紋的尖端處形成油楔。

2.4 腐蝕磨損（見(jiàn)圖6 ）

摩擦過(guò)程中，由于機(jī)械作用以及金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，共同引起的表面損傷。分為氧化磨損和化學(xué)磨損。

當(dāng)金屬摩擦副在氧化性介子中工作時(shí)，表面生成一層氧化膜，避免金屬間的直接接觸，在摩擦過(guò)程中，表面所生成的氧化膜被磨掉，但又很快形成新的氧化膜，如此周而復(fù)始，造成的材料損傷為氧化磨損。當(dāng)金屬與特殊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)腐蝕作用而造成的磨損過(guò)程成為化學(xué)磨損。

圖6 腐蝕磨損

2.5 電蝕磨損（見(jiàn)圖7）

電蝕磨損是指電流在旋轉(zhuǎn)軸承的滾道和滾動(dòng)體的接觸部分流動(dòng)時(shí)，通過(guò)薄薄的潤(rùn)滑油膜或者潤(rùn)滑油中的金屬顆粒發(fā)出火花或尖點(diǎn)放電，瞬間火花的中央溫度非常高，并產(chǎn)生巨大的熱能，足以導(dǎo)致任何金屬表面局部熔融和凹凸現(xiàn)象。引起電蝕磨損的原因主要是外圈與內(nèi)圈間的電位差以及靜電的作用。解決方法：在設(shè)定電路時(shí)，電流不通過(guò)軸承對(duì)軸承進(jìn)行絕緣，接好靜電接地裝置。

圖7 電蝕磨損

2.6 微動(dòng)磨損

微動(dòng)磨損是一種典型的復(fù)合式磨損，它是在兩個(gè)表面之間由于振幅很?。?.25mm)以下的相對(duì)振動(dòng)而產(chǎn)生的磨損。如果在微動(dòng)磨損過(guò)程中兩個(gè)表面之間的化學(xué)反應(yīng)起主要作用時(shí)，則可稱為微動(dòng)腐蝕磨損。

3 機(jī)車牽引電機(jī)軸承產(chǎn)品典型工況概述

機(jī)車牽引電機(jī)產(chǎn)品主要工況如下：

1）速度變化范圍寬。這種隨機(jī)多變的速度加之頻繁的減速與啟動(dòng)，對(duì)形成油膜不利；

2）載荷變化大?？蛰d、重載交替變化、線路坡道、彎道以及鋼軌接頭引起的沖擊載荷易使軸承變化受力頻繁；

3）工作溫度范圍大。既要滿足冬季戶外低溫起動(dòng)，又要滿足夏季戶外高溫持續(xù)工作；

4）全天候戶外作業(yè)。風(fēng)沙、雨雪、南北冬夏高低溫差極大等自然環(huán)境條件，給潤(rùn)滑系統(tǒng)帶來(lái)不利的影響。

其中，高、低溫工況為我公司機(jī)車牽引電機(jī)產(chǎn)品的典型工況之一。

4 典型工況下潤(rùn)滑油失效機(jī)理及分析

根據(jù)上述軸承磨損機(jī)理分析可知，在低溫工況下，摩擦熱影響很小，軸承材料的冷脆性和組織結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦影響最大。因此，低溫工況下，軸承磨損主要受本身材料的組織結(jié)構(gòu)冷脆性影響。而在高溫工況下，各種軸承材料在高溫摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)相同，即摩擦系數(shù)隨溫度變化升高先緩慢降低，然后迅速升高。為此，下面將重點(diǎn)討論高低溫典型工況下潤(rùn)滑油的失效機(jī)理分析。

4.1 低溫工況下潤(rùn)滑油失效機(jī)理

軸承在低溫工況下失效，除了受軸承本身材料及組織結(jié)構(gòu)的影響外，還主要表現(xiàn)在潤(rùn)滑油的失效，而油品的失效又主要表現(xiàn)在兩方面，一是油品本身的低溫流動(dòng)性差，導(dǎo)致潤(rùn)滑補(bǔ)充不及時(shí)，油量不夠，難以形成足夠的油膜強(qiáng)度，使軸承表面磨損；二是在低溫下水，容易混入潤(rùn)滑油中，而引起的污染變化，使?jié)櫥陀鏊榛冑|(zhì)，嚴(yán)重影響潤(rùn)滑油膜的形成，造成擦傷和磨損，具體分析如下：

4.1.1 低溫流動(dòng)性差導(dǎo)致的失效

如圖8所示 軸承從起動(dòng)到轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)過(guò)程時(shí)，經(jīng)過(guò)無(wú)油壓到低油壓，再到全油壓三個(gè)過(guò)程，潤(rùn)滑從邊界潤(rùn)滑到混合潤(rùn)滑，再到流體潤(rùn)滑的正常過(guò)程。但在低溫工況下，比如在烏魯木齊冬天，溫度低至-30℃，甚至更低時(shí)，當(dāng)潤(rùn)滑油的傾點(diǎn)過(guò)高，潤(rùn)滑油的低溫流動(dòng)性差時(shí)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油路堵塞，軸承從起動(dòng)到轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)過(guò)程沒(méi)有潤(rùn)滑油，使全過(guò)程處于邊界潤(rùn)滑或無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，滾子與滾道之間干摩擦，如此情況經(jīng)常發(fā)生后，極易導(dǎo)致磨粒磨損或黏著磨損等軸承失效形式[2]。

4.1.2 水污染導(dǎo)致的失效[3]

4.1.2.1 水分污染失效機(jī)理

1）對(duì)基礎(chǔ)油的影響

①水解和氧化-形成酸，油稠化，沉淀物；

②乳化，粘度增加，油性下降 ；

③氣化，形成氣泡；

④電解質(zhì)效果，減低潤(rùn)滑油的絕緣性能。

2）對(duì)添加劑的影響

圖8 軸承潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)換

通過(guò)水解、沖洗和電解質(zhì)化，析出潤(rùn)滑油中的添加劑，使之失去原有性能和生成有害的物質(zhì)如酸、膠質(zhì)和油泥等。

3）對(duì)摩擦副材料的影響

腐蝕、銹蝕金屬。

4.1.2.2 水對(duì)軸承壽命的影響

試驗(yàn)表明，當(dāng)肉眼發(fā)現(xiàn)油中含水時(shí)，水含量已經(jīng)超過(guò)了0.1%，軸承壽命已經(jīng)損失了60%~70%，如圖9。

4.2 高溫工況下潤(rùn)滑油的失效機(jī)理分析

軸承在高溫工況下失效，除了受軸承本身的摩擦系數(shù)升高導(dǎo)致的影響外，還主要表現(xiàn)在潤(rùn)滑油的失效，而潤(rùn)滑油的失效也主要表現(xiàn)在兩方面，一是潤(rùn)滑油本身在高溫下老化，二是潤(rùn)滑油在高溫下各種污損導(dǎo)致的失效，具體如下：

4.2.1 潤(rùn)滑油高溫下老化

高溫使?jié)櫥驼扯认陆?，?dǎo)致油膜強(qiáng)度不夠，無(wú)法滿足給定工況下的潤(rùn)滑要求，加劇磨損，造成潤(rùn)滑不良。

在高溫下，潤(rùn)滑油中的烴類物質(zhì)首先氧化成過(guò)氧化物，再分解成醇和酮，然后進(jìn)一步氧化成脂肪酸、醛、含氧酸和縮聚產(chǎn)物；添加劑受氧化、分解、析出后耗損。因此，潤(rùn)滑油的老化壽命主要取決于氧化的速度和程度。

4.2.2 潤(rùn)滑油高溫下被污染

圖9 水含量對(duì)軸承壽命影響

潤(rùn)滑油在高溫下，若混入了固相物質(zhì)（如油的老化生成物、金屬粉末、塵埃及其他雜質(zhì)）、液相物質(zhì)（如水、異種油）、氣相物質(zhì)（如氧、其他氣體），均會(huì)被污染，使基礎(chǔ)油和添加劑發(fā)生聚合作用、剪切碎化、蒸發(fā)、水解等，而被污染變質(zhì)，潤(rùn)滑性能下降。

4.2.3 潤(rùn)滑油氧化機(jī)理[3]

潤(rùn)滑油的氧化是一種鏈反應(yīng)，只要有數(shù)量極少的烴分子發(fā)生氧化反應(yīng)，其它烴分子也迅速跟著發(fā)生連鎖氧化反應(yīng)。

氧化反應(yīng)的速度與溫度（熱）有關(guān)，當(dāng)碳?xì)浠衔铮N）接觸潤(rùn)滑油中的空氣、水、金屬顆粒后，首先生成過(guò)氧化物，然后形成長(zhǎng)氧化鏈分子、各種沉淀物如漆膜、積碳、油泥、酸等物質(zhì)，使粘度增加、油膜厚度減小、金屬腐蝕等危害。

潤(rùn)滑油氧化、污染后變質(zhì)失效現(xiàn)象主要有：

1）外觀變化：顏色變深、乳化、有明顯的磨粒和機(jī)械雜質(zhì)。

2）粘度變化：粘度變化是潤(rùn)滑油變質(zhì)的主要表征，粘度上升是因油品氧化所致或因水份進(jìn)入引起乳化生成油泥增加了粘度。粘度下降是油中粘度指數(shù)改進(jìn)劑受機(jī)械剪切引起。

3）酸值變化：固體顆粒除了加劇磨損外，顆粒污染也對(duì)添加劑有影響；固體顆粒很多時(shí)候是漆膜與油泥的內(nèi)核，固體顆粒還是油液氧化的催化劑。在潤(rùn)滑油中，水和顆粒污染共存，會(huì)加速潤(rùn)滑油的氧化，其中，金屬顆粒起催化劑作用，迅速增加酸值，如表1。

因此，綜上所述，潤(rùn)滑油在高溫工況下失效的致命原因有：氧化、水污染、固體顆粒污染。

表1 金屬顆粒和水分對(duì)潤(rùn)滑油的污染

5 典型工況下潤(rùn)滑油的主要性能指標(biāo)

5.1 低溫性能指標(biāo)及檢測(cè)方法（如表2）

表2 低溫性能指標(biāo)及檢測(cè)方法

5.2 高溫性能指標(biāo)及檢測(cè)方法 （如表3）

表3 高溫性能指標(biāo)及檢測(cè)方法

6 典型工況下潤(rùn)滑油的主要試驗(yàn)規(guī)范

6.1 低溫性能試驗(yàn)規(guī)范（如表4）

表4 低溫性能試驗(yàn)規(guī)范

6.2 高溫性能試驗(yàn)規(guī)范（如表5）

表5 高溫性能試驗(yàn)規(guī)范

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從軸承常見(jiàn)的失效機(jī)理與失效模式可知，盡管電機(jī)軸承是精密而可靠的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)體，但若潤(rùn)滑不當(dāng)，會(huì)引起軸承早期失效。因此，掌握各種電機(jī)軸承潤(rùn)滑油產(chǎn)品在高低溫典型工況下的主要性能指標(biāo)及試驗(yàn)規(guī)范，及時(shí)正確地采取科學(xué)合理的潤(rùn)滑措施，可有效地提高軸承及電機(jī)的使用壽命。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，各種潤(rùn)滑油的使用壽命不僅受到油品本身性能、環(huán)境工況、實(shí)際條件等影響，還受現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑管理如售后服務(wù)人員素質(zhì)、污染控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、密封泄漏等因素的影響，因此，在科學(xué)選油及用油的基礎(chǔ)上，全面推進(jìn)公司潤(rùn)滑管理提升是保障公司各種電機(jī)產(chǎn)品潤(rùn)滑安全與增進(jìn)公司潤(rùn)滑效益的關(guān)鍵。

[1] 賀石中,馮偉. 2014全國(guó)設(shè)備潤(rùn)滑管理與實(shí)用技術(shù)培訓(xùn)資料[Z].

[2] 胡高玲.機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)軸承故障分析及預(yù)防措施[J].電機(jī)技術(shù), 2000(1):41-43.

[3] 丁光健. 設(shè)備潤(rùn)滑與油液分析[Z].

Failure Mechanism Analysis on Lubrication of the Traction Motor Bearing Under Typical Working Conditions

GUO Si-zhou, MAO Xiao-jun
（CSR Zhuzhou Electric Co., Ltd., Zhuzhou 412001）

This paper mainly analyzes the failure mechanism on lubrication of the traction motor bearing under typical working conditions, from the aspects of the basic knowledge of lubrication and failure mode & mechanism of bearing. We finds out main performance index, check method and experiment criterion for the traction motor bearing under typical working conditions, and it provides theoretical and experimental basis for failure analysis on lubrication of bearing.

typical working conditions; motor bearing; lubrication; failure mechanism analysis

TH17

A

1004-7204(2014)05-0081-06

郭四洲（1974-），男，高級(jí)工程師，主要從事?tīng)恳姍C(jī)及其軸承應(yīng)用技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)等工作。