圓柱滾子軸承不均勻磨損的檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

郭四洲 佘寶瑛 梅榮海 楊下沙

摘 要：電機(jī)運(yùn)行后圓柱滾子軸承滾柱母線輪廓常呈現(xiàn)中間小、端部大的“啞鈴狀”不均勻磨損特征，導(dǎo)致滾柱端部應(yīng)力集中，造成軸承早期疲勞失效。對(duì)不同磨損輪廓值的軸承滾柱進(jìn)行應(yīng)力仿真分析、振動(dòng)故障檢測(cè)及運(yùn)用考核，結(jié)果表明不均勻磨損的滾柱母線輪廓pt≤16μm可繼續(xù)安全運(yùn)行。文章創(chuàng)新性提出了一種基于輪廓檢測(cè)和透光檢測(cè)相結(jié)合的工程應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于電機(jī)檢修中的軸承磨損量定性預(yù)檢和精確定量卡控，為軸承的再利用和殘余壽命評(píng)估提供有力判據(jù)，對(duì)電機(jī)圓柱滾子軸承磨損檢測(cè)與電機(jī)檢修工程應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：圓柱滾子軸承；輪廓檢測(cè)；透光檢測(cè)；工程應(yīng)用

伴隨著我國(guó)機(jī)車(chē)向高速重載方向發(fā)展，機(jī)車(chē)牽引電機(jī)運(yùn)行于風(fēng)沙、高低溫、長(zhǎng)時(shí)間跨區(qū)運(yùn)行等復(fù)雜工況，電機(jī)軸承潤(rùn)滑不良導(dǎo)致軸承出現(xiàn)早期異常磨損，甚至發(fā)展成軸承剝離及燒損，給機(jī)車(chē)安全運(yùn)行帶來(lái)了全新挑戰(zhàn)[1]。

針對(duì)于電機(jī)軸承的早期異常磨損，具有滾柱母線輪廓常呈現(xiàn)中間小、端部大的“啞鈴狀”不均勻磨損的典型特征，在電機(jī)檢修中需對(duì)該類(lèi)軸承進(jìn)行檢測(cè)及卡控，保障檢修后的電機(jī)安全運(yùn)行。經(jīng)過(guò)系列的驗(yàn)證與研究，提出了透光預(yù)檢和輪廓卡控相結(jié)合的軸承磨損檢測(cè)技術(shù)，并制定磨損判定值定量卡控軸承，篩選出磨損值合格軸承進(jìn)行裝車(chē)再利用。

1 典型磨損特征及失效模式

1.1 典型磨損特征

軸承是機(jī)車(chē)牽引電機(jī)中支撐轉(zhuǎn)子和定子，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子穩(wěn)定、靈活運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件[2]。牽引電機(jī)通常配置2個(gè)軸承，即驅(qū)動(dòng)端軸承和非驅(qū)動(dòng)端軸承。驅(qū)動(dòng)端主要承受載荷及處于浮動(dòng)端，常采用圓柱滾子軸承。

在軸承的全壽命運(yùn)行周期內(nèi)，電機(jī)需返廠進(jìn)行檢修，并檢測(cè)電機(jī)軸承的磨損狀況。返廠檢修電機(jī)圓柱滾子軸承進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其磨損特征高度一致[1]。滾柱表面有不均勻磨損痕跡，中部呈亮色，兩端呈暗灰色，如圖1。經(jīng)測(cè)量，滾柱為啞鈴型，中部直徑小，兩端直徑大的異常磨損狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 磨損圓柱滾子圖

圖2 滾柱異常磨損圖（縱向放大1000倍）

1.2 典型失效模式

當(dāng)滾柱表面出現(xiàn)啞鈴狀不均勻磨損時(shí)，軸承的承載部位移至滾柱端部，造成滾柱端部出現(xiàn)應(yīng)力集中[3]，如圖3所示。啞鈴型異常磨損進(jìn)一步發(fā)展，滾柱的不均勻程度增加，滾柱端部應(yīng)力集中將逐漸產(chǎn)生剝離脫落，如圖4，最終惡化導(dǎo)致軸承燒損固死。

2 滾柱軸承磨損檢測(cè)技術(shù)

為防止軸承滾柱異常磨損導(dǎo)致剝離、固死失效，研究一種不破壞軸承的滾柱表面磨損檢測(cè)方法，定量分析軸承的不均勻磨損量，嚴(yán)格卡控電機(jī)軸承檢測(cè)過(guò)程。

2.1 早期軸承磨損檢測(cè)技術(shù)

早期牽引電機(jī)軸承磨損檢測(cè)方法主要有電機(jī)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)、異音判別法、軸承游隙檢測(cè)、軸承外觀檢測(cè)及指感判別、潤(rùn)滑元素含量檢測(cè)法等[4]。

上述幾種方法均存在一定局限性：（1）電機(jī)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)和異音判別法受電機(jī)裝配影響較大，無(wú)法判斷振動(dòng)來(lái)源于軸承還是裝配對(duì)中不均問(wèn)題；（2）軸承游隙檢測(cè)“啞鈴型”軸承，無(wú)法檢測(cè)軸承滾柱中部與端部的磨損量；（3）軸承外觀檢測(cè)只能粗略的檢測(cè)軸承是否出現(xiàn)剝離，點(diǎn)蝕，擦傷等情況，對(duì)軸承的磨損情況無(wú)法判別；（4）指感判別對(duì)檢測(cè)者經(jīng)驗(yàn)要求較高，需通過(guò)觸摸滾柱表面和內(nèi)外圈表面的凹凸度，無(wú)法定量軸承磨損情況；（5）潤(rùn)滑元素檢測(cè)受油路中所有結(jié)構(gòu)磨損影響，無(wú)法具體指向軸承磨損，無(wú)法精確判定軸承的磨損情況。

因此，上述方法均不能對(duì)圓柱滾子軸承的表面輪廓磨損情況進(jìn)行量化分類(lèi)，從而無(wú)法對(duì)軸承殘余壽命進(jìn)行評(píng)估。

圖4 滾柱剝離失效圖

2.2 表面輪廓檢測(cè)技術(shù)

基于早期軸承磨損檢測(cè)的局限性，提出了適用于工程應(yīng)用的軸承表面輪廓檢測(cè)技術(shù)，對(duì)軸承滾道面磨損均勻性進(jìn)行量化，為軸承殘余壽命評(píng)估提供依據(jù)。

軸承表面輪廓檢測(cè)方法目前主要有兩種：一種是表面輪廓儀檢測(cè)，該方法可準(zhǔn)確定量評(píng)定滾道面的磨損情況，但操作相對(duì)較復(fù)雜，不適用于大批量軸承檢測(cè)；另一種輪廓透光檢測(cè)法，該方法是磨損定性檢測(cè)，方法簡(jiǎn)單實(shí)用、高效，滿足工程應(yīng)用的大批量軸承檢測(cè)篩選，分等級(jí)進(jìn)行軸承磨損評(píng)估，實(shí)現(xiàn)透光預(yù)判，輪廓儀檢測(cè)卡控的結(jié)合性檢測(cè)方法。

2.2.1 表面輪廓儀檢測(cè)

表面輪廓儀檢測(cè)方法為：將待檢圓柱滾子軸承平放在專(zhuān)用工裝夾具上，摸索尋找到滾柱最高點(diǎn)，測(cè)量滾柱最高點(diǎn)母線的輪廓，評(píng)估滾柱承載區(qū)域有效取樣長(zhǎng)度上最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差，即pt值。同時(shí)，可標(biāo)定新軸承輪廓線，利用雙輪廓檢測(cè)方法評(píng)估磨損軸承與新軸承的輪廓曲線的磨損區(qū)域面積。利用表面粗糙度輪廓儀檢測(cè)圓柱滾子軸承，如圖5所示。

選取大量不同磨損程度的軸承進(jìn)行滾柱母線與外圈軌道面輪廓檢測(cè)，其中新軸承與三種典型磨損程度的滾柱和外圈表面輪廓定量檢測(cè)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 不同磨損程度的滾柱輪廓檢測(cè)圖

從圖6可知，運(yùn)用后的1～3號(hào)軸承出現(xiàn)不同程度的磨損，磨損區(qū)域及特征高度一致，表面輪廓高度差值pt越大，軸承啞鈴狀磨損情況越嚴(yán)重。

圖7 不同磨損程度的外圈輪廓檢測(cè)圖

從圖7知，新軸承及磨損軸承外圈軌道面輪廓非直線，外圈磨損為非均勻磨損；且滾柱和外圈磨損具有正相關(guān)性，滾柱輪廓磨損越嚴(yán)重（pt值越大），相應(yīng)外圈滾道面磨損亦嚴(yán)重。因此，可選取軸承滾柱磨損檢測(cè)來(lái)評(píng)估軸承不均勻磨損程度。

2.2.2 輪廓透光檢測(cè)

為適用于工程應(yīng)用，開(kāi)展批量性的軸承輪廓檢測(cè)，規(guī)避輪廓儀檢測(cè)的操作繁瑣，提出一種輪廓透光檢測(cè)方法。

輪廓透光檢測(cè)方法為采用精度較高的直線尺，例如刀口尺；用以檢測(cè)軸承滾柱母線，刀口尺與軸承滾柱母線平行緊密貼合，對(duì)刀口尺與軸承滾柱母線間隙進(jìn)行透光檢測(cè)，通過(guò)透光強(qiáng)弱程度及透光顏色定性判定滾柱表面輪廓的磨損情況。

通過(guò)大量滾柱輪廓透光檢測(cè)，將滾柱輪廓磨損狀況分為三個(gè)等級(jí)，并應(yīng)用表面輪廓檢測(cè)儀對(duì)三個(gè)等級(jí)滾柱輪廓磨損區(qū)間進(jìn)行量化，如表1所示。

表1 滾柱輪廓透光檢測(cè)對(duì)照表

據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)輪廓透光檢測(cè)只有不到10%的軸承需要用到表面輪廓儀檢測(cè)進(jìn)行復(fù)測(cè)判定，采用輪廓透光檢測(cè)預(yù)判輪廓儀復(fù)檢卡控，極大地提高了軸承檢測(cè)速度和效率。

實(shí)踐表明，面對(duì)工廠大批量軸承檢修的工程應(yīng)用，采用透光檢測(cè)來(lái)預(yù)判，輪廓儀檢測(cè)卡控相結(jié)合的軸承磨損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)軸承質(zhì)量卡控具有良好應(yīng)用效果。

3 仿真分析與應(yīng)用研究

采用Mises應(yīng)力仿真分析和單軸承動(dòng)態(tài)故障檢測(cè)進(jìn)行不同磨損等級(jí)的滾柱軸承可行性技術(shù)評(píng)估，并進(jìn)行小批量裝車(chē)考核。

3.1 應(yīng)力仿真分析

為分析不同輪廓磨損量的軸承應(yīng)力分布，利用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行建模與分析?；谀p輪廓pt值的限值分析，文章主要對(duì)第Ⅱ等級(jí)的滾柱磨損輪廓進(jìn)行分析計(jì)算。

（1）實(shí)體建模：根據(jù)實(shí)際輪廓檢測(cè)的滾柱曲線，采用描點(diǎn)法對(duì)滾柱和外圈接觸曲線進(jìn)行繪制，并進(jìn)行實(shí)體建模，考慮軸承運(yùn)行實(shí)際載荷分布，優(yōu)化計(jì)算模型，模擬分析軸承滾柱主要接觸點(diǎn)與外圈接觸應(yīng)力，如圖8。

（2）網(wǎng)格劃分：采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分沙漏控制單元（C3D8R）對(duì)外圈和滾柱進(jìn)行離散，局部接觸區(qū)域采用網(wǎng)格細(xì)化加密，整個(gè)有限元模型共有6899160個(gè)單元，7572260個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。

（3）載荷約束：基于滾柱軸承的受力分布，選取承載區(qū)載荷最大的滾柱，并進(jìn)行滾柱周向約束，外圈固定約束，在滾柱上方施加均布載荷，載荷為實(shí)際運(yùn)行中的軸承所有載荷轉(zhuǎn)化為單個(gè)滾柱載荷，取單個(gè)滾柱載荷的最大值。

圖8 應(yīng)力仿真二維模型圖

圖9 三維模型網(wǎng)格劃分圖

（4）應(yīng)力求解：仿真計(jì)算可得，磨損輪廓pt值為16μm的滾柱在實(shí)際應(yīng)用最大載荷作用下，滾柱接觸區(qū)最大Mises應(yīng)力為1068MPa。經(jīng)核查，軸承滾柱和外圈材料的屈服應(yīng)力為1690MPa[1]，表明輪廓磨損值為16μm的滾柱應(yīng)力水平良好，小于屈服極限。仿真應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如圖10所示。

圖10 接觸區(qū)Mises應(yīng)力圖

3.2 單軸承動(dòng)態(tài)故障診斷分析

基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)、精密微沖擊傳感技術(shù)及計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)，可識(shí)別對(duì)單個(gè)滾動(dòng)軸承的故障，自動(dòng)檢測(cè)出不同磨損狀態(tài)的軸承振動(dòng)能量，及軸承內(nèi)圈、外圈及滾動(dòng)體等軸承組件的故障信息[5]，檢測(cè)原理如圖11。

分析不同輪廓磨損量的軸承振動(dòng)能量及故障信息，結(jié)果如圖12所示。

圖11 單軸承動(dòng)態(tài)檢測(cè)原理圖

圖12 不同磨損程度滾柱軸承振動(dòng)能量圖

從圖12可知，新軸承的振動(dòng)能量最低，均方根值≤2.3（1000rpm）；第1等級(jí)軸承與第2等級(jí)軸承的振動(dòng)能量相近，均方根值≤5.5，均方根值在卡控值（≤6）范圍內(nèi)，軸承拆檢狀況良好，無(wú)故障，磨損??；而第3等級(jí)軸承的振動(dòng)能量偏大，均方根值接近9.5，軸承解體出現(xiàn)游隙值偏大，啞鈴型磨損嚴(yán)重，無(wú)法滿足剩余軸承使用壽命要求。

因此，基于軸承應(yīng)力計(jì)算及單軸承振動(dòng)檢測(cè)，輪廓透光檢測(cè)≤16μm的軸承屈服應(yīng)力和振動(dòng)能量均在規(guī)定范圍內(nèi)，可以進(jìn)行裝車(chē)再利用。

3.3 裝車(chē)考核

2013年8月，對(duì)輪廓透光檢測(cè)不同等級(jí)的軸承進(jìn)行小批量裝車(chē)考核，其中pt≤16μm的軸承裝車(chē)運(yùn)行已接近40萬(wàn)公里，每個(gè)季度對(duì)在段運(yùn)行的油樣和頂輪檢測(cè)跟蹤，檢測(cè)值均處于合格范圍內(nèi)，表明該類(lèi)軸承目前運(yùn)行狀況良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)圓柱滾子軸承不均勻磨損的檢測(cè)方法進(jìn)行研究與應(yīng)用，針對(duì)圓柱滾子軸承滾柱表面呈現(xiàn)典型啞鈴狀不均勻磨損特征，創(chuàng)新性提出了一種基于輪廓檢測(cè)和透光檢測(cè)相結(jié)合的工程應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于電機(jī)檢修中的軸承磨損量定性預(yù)檢和精確定量卡控。經(jīng)過(guò)應(yīng)力仿真分析、振動(dòng)故障檢測(cè)及運(yùn)用考核，結(jié)果表明不均勻磨損的滾柱母線輪廓pt≤16μm可繼續(xù)安全運(yùn)行。

文章的研究及磨損限值分析為軸承的再利用和殘余壽命評(píng)估提供有力判據(jù)，對(duì)電機(jī)滾柱軸承磨損檢測(cè)與電機(jī)檢修工程應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：郭四洲（1974，12-），男，高級(jí)工程師，從事電機(jī)軸承應(yīng)用技術(shù)研究。