HXD3型電力機(jī)車SEA107型牽引電機(jī)NU330軸承內(nèi)套出現(xiàn)裂紋的原因分析

李　霞

(鄭州鐵路局　洛陽機(jī)務(wù)段， 河南洛陽 471002)

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HXD3型電力機(jī)車SEA107型牽引電機(jī)NU330軸承內(nèi)套出現(xiàn)裂紋的原因分析

李霞

(鄭州鐵路局洛陽機(jī)務(wù)段， 河南洛陽 471002)

對洛陽機(jī)務(wù)段HXD3機(jī)車牽引電機(jī)NU330軸承運(yùn)用中的問題進(jìn)行了調(diào)查，對調(diào)查中還未出現(xiàn)故障的軸承內(nèi)套滾道面出現(xiàn)的初始裂紋進(jìn)行了全面材料檢驗(yàn)，分析認(rèn)為該軸承早期失效的原因是軸承內(nèi)圈滾道面局部承受了較高的接觸應(yīng)力所致。

HXD3型電力機(jī)車; NU330軸承; 內(nèi)圈; 裂紋; 原因分析

洛陽機(jī)務(wù)段配屬HXD3機(jī)車266臺配屬以來共發(fā)生9臺機(jī)車11臺牽引電機(jī)軸承燒損，打開齒輪箱蓋后發(fā)現(xiàn)傳動端軸承外油封過熱或外竄。為防止事故，洛陽機(jī)務(wù)段通過開齒輪箱蓋檢查發(fā)現(xiàn)傳動端軸承外油封過熱或外竄的共14臺機(jī)車、19臺電機(jī)。

2014年6月洛陽機(jī)務(wù)段檢查發(fā)現(xiàn)HXD3 0830機(jī)車M3牽引電機(jī)傳動端軸承外油封外圓周過熱見圖1(a)。為調(diào)查軸承故障原因，洛陽機(jī)務(wù)段和大連機(jī)車車輛有限公司協(xié)調(diào)全部更換6臺牽引電機(jī)，從M1到M6電機(jī)編號分別為0906039、0912001、0908036、0905033、0906032、0905001，電機(jī)型號均為SEA107型，2010年5月新造后走行610 459 km，2013年12月2年檢后走行60 900 km，配裝軸承為日本NTN軸承。返廠后M3電機(jī)拆解，NU330軸承內(nèi)套上有多處不規(guī)則破損，破損面中間有清晰的軸向裂紋，內(nèi)套上有多處不規(guī)則坑狀剝離見圖1(b)。尤其應(yīng)該注意的是，運(yùn)行正常、傳動端軸承外油封正常的M4位0905033號牽引電機(jī)、M5位0906032號牽引電機(jī)的NU330軸承內(nèi)套上也出現(xiàn)了極其細(xì)微的初始軸向裂紋見圖2。

圖1　HXD3 0830機(jī)車M3牽引電機(jī)傳動端NU330

圖2　HXD3 0830機(jī)車M4(a)、M5(b)牽引電機(jī)傳動端NU330軸承內(nèi)套裂紋

2014年8月對該兩套軸承進(jìn)行檢驗(yàn)。目的是觀察軸承內(nèi)圈宏觀形貌，確定內(nèi)圈傷損特征，打開軸承內(nèi)圈裂紋，觀察斷口形貌尋找裂紋源。掃描軸承斷口面，并對其裂紋源區(qū)域進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，在裂紋區(qū)域及裂紋源附近取金相樣，觀察裂紋區(qū)域及裂紋源處的顯微組織。同時對送檢軸承進(jìn)行化學(xué)成分、硬度、顯微組織檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)分析結(jié)果，對軸承內(nèi)圈傷損原因進(jìn)行多方面分析。

1　對兩套軸承的檢驗(yàn)內(nèi)容

(1)對軸承的宏觀觀察

清洗兩套軸承后，其外觀形貌如圖2所示。M5牽引電機(jī)NU330軸承內(nèi)圈滾道面存在 1 條裂紋，該裂紋長約20 mm見圖 2(b)，M4牽引電機(jī)NU330軸承內(nèi)圈滾道面存在2條裂紋，裂紋最長處約35 mm，兩裂紋間隔最寬處約10 mm見圖 2(a)。兩軸承內(nèi)圈滾道面均可見多條磨痕，部分有手感。M5牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈裂紋處可見1條明顯的磨痕，M4牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈裂紋處有兩條輕微磨痕見圖3、圖4。采用4%的硝酸酒精清洗兩軸承裂紋，經(jīng)酸洗后軸承內(nèi)圈滾道面磨痕清晰。但裂紋處未發(fā)現(xiàn)磨削燒傷痕跡。兩軸承其余組件均未見損傷。

(2)斷口宏微觀檢驗(yàn)

采用線切割方法切取軸承裂紋區(qū)域小樣，將裂紋打開，M5牽引電機(jī)NU330軸承內(nèi)圈裂紋的斷口形貌如圖3所示，M4牽引電機(jī)NU330軸承內(nèi)圈軸承裂紋的斷口形貌如圖4所示。

圖3　M5軸承內(nèi)圈裂紋打開形貌

圖4　M4軸承內(nèi)圈裂紋打開形貌

兩軸承內(nèi)圈裂紋斷口均由疲勞斷口和脆性斷口組成，在疲勞斷口區(qū)可見明顯的貝紋狀疲勞擴(kuò)展弧線，根據(jù)疲勞擴(kuò)展弧線走向判斷斷口裂紋源均位于內(nèi)圈滾道面，且均有明顯磨痕。取兩軸承斷口面，用掃描電鏡觀察斷口裂紋源，檢查是否有腐蝕裂紋或其他異常形貌，同時利用能譜儀檢查斷口裂紋源處是否有非金屬夾雜物，兩軸承斷口裂紋源的電鏡形貌如圖5所示，能譜檢驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖5、圖6兩軸承斷口裂紋源處均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋及殘留的非金屬夾雜物。但兩軸承內(nèi)圈裂紋源處均可見一凹坑形貌。

綜合上述對兩套軸承內(nèi)圈裂紋斷口的宏、微觀檢驗(yàn)可知，兩軸承裂紋起裂源均位于滾道面處且伴有磨痕。兩軸承裂紋源處未發(fā)現(xiàn)腐蝕及夾雜物殘留痕跡，故由腐蝕、非金屬夾雜物引起軸承起裂的可能性小。但兩軸承內(nèi)圈裂紋源處均可見一凹坑形貌，推測兩軸承可能承受了異常載荷作用(如過高的沖擊力等)。異常載荷使軸承內(nèi)圈滾道面局部(磨痕處)承受了較高接觸應(yīng)力造成凹坑(沖擊坑)，誘發(fā)材料疲勞，疲勞裂紋在運(yùn)動載荷作用下持續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸承內(nèi)圈宏觀裂紋。

圖5　兩軸承斷口裂紋源的電鏡形貌

圖6　兩軸承內(nèi)圈裂紋源處能譜檢驗(yàn)結(jié)果

(3)軸承內(nèi)圈化學(xué)成分檢驗(yàn)

軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分是SUJ2軸承鋼，SUJ2軸承鋼的化學(xué)成分與國內(nèi)GCr15軸承鋼的化學(xué)成分相近，均為高碳鉻軸承鋼。SUJ2軸承鋼中十種元素的含量分別是C:0.95～1.10,Si:0.15～0.35,Mn:≤0.50,Cr:1.30～1.60,Mo:≤0.08,P:≤0.025,S:≤0.025,Ni:≤0.25,Cu:≤0.25,Ti:≤0.003(wt%)。國內(nèi)GCr15軸承鋼中十種元素的含量成分別是C:0.95～1.05、Si:0.15～0.35、Mn:0.25～0.45、Cr:1.35～1.65、Mo:≤0.10、P:≤0.025、S:≤0.015、Ni:≤0.25、Cu:≤0.30、Ti:≤0.003(wt%)。按照 GB/T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》的要求對軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，各軸承化學(xué)試樣取自金相樣，檢驗(yàn)結(jié)果均在范圍內(nèi)。

(4)硬度檢驗(yàn)

按照 GB/T 230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分》的要求對送檢軸承內(nèi)圈的洛氏硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，兩軸承芯部及表面的硬度均進(jìn)行檢測。兩軸承內(nèi)圈芯部硬度取軸承縱截面且兩面磨平，顯示洛氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果HRC均在57.5～62范圍內(nèi)。

(5)顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果

取兩套軸承內(nèi)圈裂紋源小樣，采用光學(xué)顯微鏡對兩裂紋源處的金相組織進(jìn)行觀察。結(jié)果兩軸承裂紋源處的金相中未見磨削燒傷等異常組織存在，其顯微組織仍屬高碳鉻軸承鋼正常的淬火+回火組織。

取兩套軸承內(nèi)圈裂紋區(qū)域小樣，采用光學(xué)顯微鏡對兩內(nèi)圈裂紋區(qū)域進(jìn)行觀察。結(jié)果兩軸承裂紋區(qū)域未見脫碳，故排除其為原始制造裂紋的可能。測量兩軸承裂紋的深度，其中M5裂紋最深處約為 1.8 mm，M4軸承裂紋深度約為 2 mm。

參考JB/T 1255-2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》，采用光學(xué)顯微鏡分別觀察軸承內(nèi)圈滾道面下3 mm處的屈氏體組織、顯微組織和網(wǎng)狀碳化物組織，參考國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件，軸承內(nèi)套的屈氏體組織、顯微組織、網(wǎng)狀碳化物組織級別分別為1～2、1～3、≤2.5，兩套軸承組織評定分別為1、2、1.5(1)級，在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。軸承內(nèi)圈組織級別符合要求。

參考GB/T 18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)評定兩套軸承內(nèi)圈的非金屬夾雜物級別，評級結(jié)果，軸承內(nèi)圈的非金屬夾雜物級別符合要求。

2　結(jié)論

綜上所述，兩套軸承其傷損形式為內(nèi)圈滾道面處存在裂紋，排除原始制造裂紋、腐蝕及夾雜物殘留痕跡，從兩軸承內(nèi)圈裂紋源處的凹坑形貌，結(jié)合軸承實(shí)際運(yùn)用情況推斷，推測兩軸承承受了異常載荷(如過高沖擊力等)。異常載荷使軸承內(nèi)圈滾道面局部承受了較高接觸應(yīng)力造成滾道表面損傷(如沖擊坑)，誘發(fā)材料疲勞開裂，疲勞裂紋在運(yùn)用載荷持續(xù)作用下擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋。

確定了軸承裂紋的根本原因是軸向異常載荷后，進(jìn)一步分析軸向異常載荷的來源。其一是軸承設(shè)計(jì)未考慮中國國情，比如線路上坡道和彎道時機(jī)車牽引電機(jī)軸承的振動和迷宮槽的干涉，原設(shè)計(jì)圖在軸承室迷宮處未設(shè)計(jì)倒角，日本的加工工藝和線路可能運(yùn)用正常，但國內(nèi)就會出問題。其二是軸承拆卸組裝工藝未控制好。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)許多拆卸組裝工藝不良問題，如組裝作業(yè)人員測量軸承室尺寸時存在作業(yè)不規(guī)范。這些都是可能引起軸承安裝后不平行、產(chǎn)生軸向異常載荷導(dǎo)致故障的因素。

針對軸承異常載荷的來源，制定了相應(yīng)改進(jìn)措施，如改進(jìn)軸承內(nèi)封環(huán)與軸承座的裝配質(zhì)量，保證裝配后內(nèi)封環(huán)能靈活轉(zhuǎn)動，使內(nèi)封環(huán)在軸承燒損后可以轉(zhuǎn)動支撐軸承，軸承座與內(nèi)封環(huán)兩配件裝配后進(jìn)行深度測量，4點(diǎn)十字測量最大值、最小值的差值不應(yīng)大于0.02 mm，保證安裝后軸承的內(nèi)套、內(nèi)油封等軸承配件的平行度等。措施實(shí)施后，軸承的故障得到了有效的控制。

[1]張曙光.HXD3型電力機(jī)車[M]. 北京:中國鐵道出版社，2010.

[2]龍洙，權(quán)中太.鐵路機(jī)車滾動軸承手冊[M].北京:中國鐵道出版社，1995.

[3]GB/T 4336-2002 碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法[S].

[4]GB/T 230.1-2009 金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn)[S].

[5]JB/T 1255-2001 高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件[S].

[6]GB/T 18254-2002 高碳鉻軸承鋼[S].

Cause Analysis of NU330 Bearing Inner Sleeve Crack of SEA107 Traction Motor for HXD3 Electric Locomotive

LIXia

(Luoyang Locomotive Depot, Zhengzhou Railway Bureau, Luoyang 471002 Henan, China)

In this paper, the traction motor NU330 bearings' application problems of HXD3 electric locomotives allocated in Luoyang Locomotive Depot are investigated, the comprehensive material inspection is conducted for the initial crack of no-fault bearings inner raceway surface, and the cause of bearing premature failure is confirmed that the bearing inner ring raceway surface has suffered higher contact stress.

HXD3 electric locomotive; NU330 bearing; inner ring; crack; cause analysis

1008-7842 (2016) 02-0067-03

?)女,高級工程師(

2015-11-16)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.16