鐵路貨車軸承熱軸典型故障分析及防范措施

劉春橋，楊忠良，劉吉遠(yuǎn)

(1.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南西車輛段，山東 濟(jì)南 250117；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 機(jī)輛部貨車事業(yè)部，北京 100844)

鐵路貨車軸承熱軸是貨車軸承運(yùn)行中較常見的故障，熱軸故障輕則會(huì)導(dǎo)致列車停車、摘車、換輪，擾亂行車秩序，影響鐵路貨車運(yùn)輸效率，重則會(huì)發(fā)展成燃軸、熱切軸等惡性事故，影響到鐵路貨車運(yùn)輸安全。因此，了解掌握鐵路貨車軸承熱軸故障發(fā)生的規(guī)律，并采取相應(yīng)的防范措施降低軸承熱軸發(fā)生率，對(duì)提高貨車運(yùn)輸效率，保障鐵路貨車運(yùn)輸安全具有重要意義。軸承密封罩脫出、滾子異常接觸、內(nèi)外圈滾道擦傷剝離、軸承組裝質(zhì)量不良及環(huán)狀條紋等是典型的軸承熱軸故障，本文將對(duì)上述幾種典型軸承熱軸故障的產(chǎn)生原因進(jìn)行初步分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施及建議。

1 典型故障

1.1 油封組件故障

鐵路貨車軸承密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，油封組件故障主要表現(xiàn)為軸承密封罩脫出或油封變形、破損(圖2)。

圖1 密封結(jié)構(gòu)

圖2 油封組件故障

1.2 軸承滾子故障

比較常見的軸承滾子故障主要有滾子大端、小端外徑面局部接觸異常，滾子球基面與內(nèi)圈滾子引導(dǎo)面接觸異常等，如圖3所示。

圖3 軸承滾子故障

1.3 軸承內(nèi)部劃傷、擦傷故障

軸承內(nèi)部劃傷、擦傷(圖4)的原因一般是軸承內(nèi)部有硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)或軸承內(nèi)部工作表面輪廓不良，局部有凸點(diǎn)，致使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生劃傷、擦傷，造成局部摩擦過大從而導(dǎo)致軸承升溫發(fā)熱。

圖4 軸承內(nèi)部劃傷、擦傷

1.4 軸承套圈擦傷、疲勞剝落故障

軸承套圈出現(xiàn)嚴(yán)重的擦傷和疲勞剝落(圖5)在熱軸故障軸承中并不常見，但其危害程度較大。套圈擦傷或疲勞剝落會(huì)嚴(yán)重破壞軸承滾道表面原有的輪廓形狀和精度，同時(shí)大量脫落的金屬顆粒會(huì)進(jìn)一步加劇滾子和滾道之間的摩擦、劃傷，導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度急劇升高。

圖5 表面疲勞剝落的軸承套圈

1.5 軸承組裝質(zhì)量不良故障

軸承組裝質(zhì)量不良主要表現(xiàn)為各零部件的極限偏差組裝導(dǎo)致軸承在運(yùn)用過程中其內(nèi)部工作面局部磨耗、密封件配合過盈量不當(dāng)而脫出等，最終發(fā)生熱軸故障。常見的極限偏差組裝類型有內(nèi)外圈滾道角度及滾子錐角、內(nèi)外圈滾道素線和滾子外徑素線凸度、內(nèi)外圈滾道面及滾子外徑粗糙度、同組滾子間球基面曲率、油封與軸承零件間配合尺寸等不合格。

1.6 軸承零件環(huán)狀條紋故障

環(huán)狀條紋是在軸承內(nèi)外圈滾道面及滾子滾動(dòng)面上出現(xiàn)的規(guī)則周向痕跡，是軸承運(yùn)用中最為普遍的一種現(xiàn)象。就其缺陷程度而言主要有3類環(huán)形條紋:第1類環(huán)形條紋無手感，采用輪廓儀檢測(cè)時(shí)無深度，只是波峰與波谷的差異，不應(yīng)歸屬于缺陷；第2類環(huán)形條紋深度不大于0.025 mm，且條數(shù)不大于4條，對(duì)軸承性能和運(yùn)用安全無影響，修復(fù)與否均可使用；第3類環(huán)形條紋深度大于0.025 mm，對(duì)軸承性能和運(yùn)用安全有較大影響，不得再使用。

2 典型故障原因分析

2.1 油封組件故障原因分析

軸承在運(yùn)行過程中，密封罩凸臺(tái)從軸承外圈牙口凹槽脫出，外油封端面和前蓋發(fā)生摩擦，導(dǎo)致溫度升高。造成密封罩脫出的主要原因有密封罩制造質(zhì)量不良、密封罩和外圈牙口面配合不當(dāng)、密封罩壓裝偏斜或變形等。密封罩制造質(zhì)量不良主要表現(xiàn)在密封罩凸臺(tái)尺寸不合格、配合面橢圓度超差、配合面尺寸不合格及密封罩變形等。密封罩和外圈牙口面配合不當(dāng)是指配合過盈量太小或太大，當(dāng)過盈量太小時(shí)，密封罩與外圈牙口的摩擦鎖緊力不足，在運(yùn)行過程中，由于振動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)離心力作用，導(dǎo)致密封罩脫出；當(dāng)過盈量太大時(shí)，在壓裝密封罩過程中，密封罩凸臺(tái)有可能被局部切掉(圖6)，導(dǎo)致密封罩凸臺(tái)和牙口凹槽間的鎖緊力不夠，造成密封罩脫出。密封罩壓裝偏斜或變形是由于在壓裝密封罩過程中上下模具不同心或傾斜，造成密封罩和牙口圓周接觸不充分，導(dǎo)致密封罩脫出。

圖6 密封罩凸臺(tái)被部分切掉

油封變形、破損后造成內(nèi)外油封間發(fā)生異常接觸，二者相互摩擦發(fā)熱導(dǎo)致軸承運(yùn)行過程中溫度升高。產(chǎn)生油封變形、破損的主要原因有內(nèi)外油封組件壓裝質(zhì)量不良、油封制造質(zhì)量不良、運(yùn)輸防護(hù)不當(dāng)及軸承運(yùn)行中受異常外力等。內(nèi)外油封組件壓裝質(zhì)量不良是由于壓裝模具或支撐平臺(tái)傾斜，導(dǎo)致內(nèi)油封壓入密封座的位置不均勻，外油封與密封罩貼合間隙過大以及油封變形、局部過壓、翻皮等；油封制造質(zhì)量不良主要由于橡膠與骨架硫化粘結(jié)不牢、修邊深度及毛刺高度處置不當(dāng)、油封表面有凹凸缺陷等；運(yùn)輸防護(hù)不當(dāng)主要是指野蠻裝卸、擠壓空間等。

2.2 軸承滾子故障原因分析

滾子和滾道的正常接觸位置應(yīng)該是滾子中部區(qū)域。然而部分軸承在運(yùn)用過程中，其滾子接觸區(qū)域會(huì)發(fā)生異常偏離，滾子運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象，致使?jié)L子和滾道的接觸區(qū)域產(chǎn)生過大的滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致軸承溫度升高，反映為滾子和滾道面出現(xiàn)高溫變色，如圖7所示。

圖7 滾子和滾道接觸示意圖

造成滾子故障的原因主要有：滾子外徑表面對(duì)數(shù)曲線形狀不良，局部有“凸凹”或凸度中心偏移量超差，導(dǎo)致滾子和滾道在受力接觸過程中，滾子表面變形不均勻，局部異常受力過大而打滑，局部滑動(dòng)摩擦力增大使軸承內(nèi)部溫度升高； 滾子外徑錐度超差造成滾子表面和滾道接觸異常，錐度太大容易使?jié)L子大端和滾道異常接觸，錐度太小容易使?jié)L子小端和滾道異常接觸，均使軸承內(nèi)部溫度升高； 滾子端面球基面曲率超差或套圈擋邊角度超差，使?jié)L子和套圈擋邊接觸位置偏外或偏內(nèi)，導(dǎo)致滾子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生傾斜，局部摩擦力過大，造成軸承異常發(fā)熱； 偏載導(dǎo)致軸承內(nèi)部單側(cè)受力過大，使?jié)L子球基面與內(nèi)圈滾子引導(dǎo)面、滾子外徑面與滾道面產(chǎn)生異常摩擦造成軸承溫度升高。

2.3 軸承內(nèi)部劃傷、擦傷故障原因分析

造成軸承內(nèi)部劃傷、擦傷的具體原因主要包括：軸承零配件清洗質(zhì)量不良；軸承裝配間工作環(huán)境落塵量不達(dá)標(biāo)；清洗介質(zhì)防護(hù)不到位或更換不及時(shí)；注入的潤(rùn)滑脂在使用過程中受到異物污染；軸承組裝工裝的清潔度不良或存在金屬毛刺，在軸承組裝過程中作業(yè)不當(dāng)，造成工作表面產(chǎn)生局部碰凸點(diǎn)。另外軸承零件非磨削面的車削積屑瘤、倒角毛刺，油溝槽殘留有清潔介質(zhì)結(jié)晶顆粒或探傷磁粉等也是造成軸承內(nèi)部劃傷、擦傷的重要因素。

2.4 軸承套圈擦傷、疲勞剝落故障原因分析

軸承套圈擦傷和滾道表面疲勞剝落的原因比較復(fù)雜，常見的原因主要包括：壓痕擴(kuò)展產(chǎn)生的疲勞剝落(壓痕是由于緊急制動(dòng)、鋼軌接觸不良或輪對(duì)踏面嚴(yán)重擦傷時(shí)，使軸承受到瞬時(shí)超過其承載能力的重沖擊載荷，滾子壓進(jìn)滾道形成的塑性變形)；車輛緊急制動(dòng)導(dǎo)致的軸承滾道表面擦傷；軸承潤(rùn)滑不良，軸承材料缺陷，軸承熱處理質(zhì)量不良，軸承加工過程中表面燒傷、磨傷、淬火裂紋及磨削裂紋等。

2.5 軸承組裝質(zhì)量不良故障原因分析

鐵路貨車軸承采用大批量工業(yè)化生產(chǎn)，考慮到當(dāng)前工藝裝備加工精度的經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)品圖樣設(shè)計(jì)的某些精度指標(biāo)往往較為寬泛。軸承零件如果僅僅滿足圖樣要求而不加以內(nèi)控，且不進(jìn)行選配組裝，就會(huì)有一定比例的軸承出現(xiàn)極限偏差組裝現(xiàn)象。軸承內(nèi)部零件出現(xiàn)極限偏差組裝時(shí)，軸承內(nèi)部各工作表面間易出現(xiàn)局部接觸、受力及偏磨等情況，導(dǎo)致軸承在運(yùn)用中溫度升高。

2.6 軸承零件環(huán)狀條紋故障原因分析

軸承零件環(huán)狀條紋故障原因有以下幾種情況：無手感的環(huán)形條紋主要是較大的粗糙度波峰以及滾子運(yùn)轉(zhuǎn)中與保持架窗梁的接觸等所致；同一列滾子每一個(gè)滾動(dòng)面和與其內(nèi)圈或外圈接觸的滾道面上存在間距、形貌吻合的環(huán)形條紋，其形成原因主要是由于機(jī)械加工形成的內(nèi)外圈滾道表面輪廓形狀不良及軸承清潔度不良等造成的；在一個(gè)或多個(gè)滾子滾動(dòng)面上存在不等條數(shù)、不同輕重程度的環(huán)形條紋，主要是由于保持架窗梁側(cè)面有玻璃纖維外漏、凸點(diǎn)毛刺或異物鑲嵌等所致。

3 防范措施與建議

軸承發(fā)生熱軸的特征和原因非常復(fù)雜，每一起熱軸故障都有自身的特殊性，需要結(jié)合軸承運(yùn)用信息及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析，查找故障原因并采取有效的預(yù)防措施?？偟膩碚f，降低熱軸故障率需要在提高軸承零配件造修質(zhì)量、加強(qiáng)配件選配組裝質(zhì)量、提高清潔度、加強(qiáng)外購配件質(zhì)量和儲(chǔ)運(yùn)管理、提高設(shè)備工裝性能等方面采取綜合措施，標(biāo)本兼治。

3.1 零配件造修質(zhì)量方面

(1) 提升軸承內(nèi)圈滾子引導(dǎo)面制造質(zhì)量，合理控制其角度范圍，避免角度過小時(shí)受力異常導(dǎo)致軸承卡滯情況，控制其表面粗糙度，在終磨削階段增加超精工藝。

(2) 優(yōu)化滾子超精工藝，改進(jìn)滾子凸度對(duì)數(shù)曲線形狀，保證凸度中心偏移量，提高滾子凸度下偏差值，保證軸承旋轉(zhuǎn)性能。

(3) 提高滾子球基面磨床的加工精度，控制滾子球基面質(zhì)量，確保同組滾子球基面曲率的一致性。

(4) 規(guī)范控制機(jī)床加工參數(shù)、磨削進(jìn)給量、磨削冷卻性能及磨削液流量等，控制磨削燒傷及磨削裂紋情況。

(5) 對(duì)精磨和超精工序用的砂輪、油石進(jìn)行合理選型，提高精加工后產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量。

(6) 優(yōu)化改進(jìn)油封硫化模具，提高定位精度，防止硫化過程中骨架產(chǎn)生位移和變形。增大鋼骨架表面防銹膠狀物的噴涂面積，提升噴涂和磷化質(zhì)量，提高鋼骨架的防銹及防腐性能。

(7) 嚴(yán)格控制密封罩外徑尺寸，合理選配密封罩和牙口的配合過盈量。選擇更合適的外圈牙口凹槽加工刀具，優(yōu)化車削程序，保證密封罩凸臺(tái)與外圈牙口凹槽的鎖緊力。

(8) 加強(qiáng)磷化后內(nèi)外圈滾道及滾子引導(dǎo)面粗糙度的控制，降低軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的摩擦熱。

(9) 熱處理后對(duì)內(nèi)圈采取噴砂或打光工藝，清除內(nèi)圈油溝、倒角及外徑的氧化皮、金屬毛刺等附著物。

3.2 配件選配組裝質(zhì)量方面

(1) 對(duì)內(nèi)外圈滾道角度、垂直差和滾子角度進(jìn)行合理內(nèi)控或選配組裝，避免出現(xiàn)極限偏差組裝。

(2) 對(duì)保持架外觀質(zhì)量進(jìn)行全數(shù)檢查，優(yōu)化內(nèi)圈組件壓裝工藝方法，保證內(nèi)組件組裝時(shí)不產(chǎn)生磕碰傷、擠壓等現(xiàn)象。

(3) 優(yōu)化密封罩外徑和外圈牙口尺寸選配方案，密封罩組裝前，全數(shù)測(cè)量牙口尺寸及凸臺(tái)寬度、高度，并進(jìn)行合理組配。

(4) 壓裝油封前檢查壓裝設(shè)備上下壓裝胎具的同心度、壓力穩(wěn)定性、壓裝速度、支撐平臺(tái)的平面度及水平度等，結(jié)果應(yīng)符合要求。

(5) 規(guī)范軸承軸向游隙調(diào)整、中隔圈選配作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，防止更換中隔圈過程中滾子對(duì)外圈滾道的磕碰傷。建議優(yōu)先采用自動(dòng)選配中隔圈、調(diào)整軸向游隙的合套機(jī)。

(6) 制定內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，盡量縮小中隔圈高度尺寸的分組間隔，提高中隔圈兩端面的平行差精度，合理精確控制軸承軸向游隙。

3.3 清潔度方面

(1) 對(duì)密封罩、中隔圈、密封座與套圈進(jìn)行分類清洗管理，提高各零件的清潔度。

(2) 大修軸承滾子裝配前應(yīng)對(duì)球基面凹穴進(jìn)行重點(diǎn)擦拭清洗，提高滾子的清潔度。

(3) 增加清洗機(jī)監(jiān)控檢測(cè)頻次，及時(shí)更換過濾網(wǎng)和濾芯，定期清理儲(chǔ)液箱，更換清洗液，保證清洗液的清潔度。

(4) 清洗設(shè)備宜增加磁分離裝置，可吸附清洗介質(zhì)中的微小金屬顆粒、粉末等，對(duì)磁粉探傷后的清洗尤為重要。

(5) 采用罩杯式密閉系統(tǒng)、軸承高速旋轉(zhuǎn)、清洗液高壓噴淋的清洗方式，避免在清洗過程中發(fā)生異物進(jìn)入軸承的情況。

(6) 合理控制清洗介質(zhì)的配比，在保證清洗效果的前提下，避免濃度過高導(dǎo)致工件溝槽處產(chǎn)生結(jié)晶殘留現(xiàn)象。

(7) 更換注脂工序中傳統(tǒng)油脂儲(chǔ)存設(shè)備，采用新型注脂設(shè)備，直接將原裝桶中的油脂壓入軸承，一桶一更換，避免油脂在添加過程中受到污染。

3.4 外購配件質(zhì)量和儲(chǔ)運(yùn)管理方面

(1) 加強(qiáng)外購配件的質(zhì)量抽查及管理，杜絕不合格配件的使用。

(2) 加強(qiáng)油封、保持架等橡塑配件的庫房管理，要做到防塵、防潮、防陽光直射，遠(yuǎn)離熱源，嚴(yán)禁與酸、堿、油類及有機(jī)溶劑等同庫房存放。

(3) 加強(qiáng)對(duì)軸承及配件運(yùn)輸過程的控制，規(guī)范包裝和物流過程，避免運(yùn)輸與搬運(yùn)過程中的磕碰、甩扔及擠壓現(xiàn)象，防止造成密封罩變形或脫出、油封破損等。

3.5 設(shè)備工裝性能方面

(1) 加強(qiáng)工裝設(shè)備的日常保養(yǎng)維護(hù)，杜絕設(shè)備“帶病”作業(yè)。

(2) 提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，用機(jī)控代替人控。

(3) 采用軸承零配件的專用防護(hù)料框，做好產(chǎn)品防護(hù)，防止出現(xiàn)磕碰傷。

(4) 在關(guān)鍵工序購置先進(jìn)的工裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“以設(shè)備保工藝，以工藝保質(zhì)量，以質(zhì)量保安全”的目標(biāo)。