高速動(dòng)車(chē)組車(chē)軸軸承外圈剝離原因分析及改進(jìn)

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(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司青島機(jī)車(chē)車(chē)輛監(jiān)造項(xiàng)目部 山東 青島 266111)

1 軸承外圈剝離的概況

某型號(hào)動(dòng)車(chē)組車(chē)軸軸承在TADS(音響診斷系統(tǒng))系統(tǒng)診斷及檢修過(guò)程發(fā)現(xiàn)，個(gè)別軸承外圈在低于壽命周期內(nèi)發(fā)生剝離(見(jiàn)圖1)，行駛里程從9萬(wàn)km到190萬(wàn)km不等，同廠家不同的速度等級(jí)軸承剝離發(fā)生綜合比例約為0.009%，該軸承的壽命周期是240萬(wàn)km，結(jié)構(gòu)為雙列圓錐滾子軸承，剝離在軸承A列和B列均有發(fā)生。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)生剝離的軸承其疲勞壽命是相當(dāng)離散的，外圈剝離出現(xiàn)的概率與時(shí)間、運(yùn)行里程沒(méi)有必然聯(lián)系。外圈剝離一般發(fā)生在承載區(qū)域，剝離形態(tài)基本保持一致。

圖1 軸承外圈剝離圖

2 軸承外圈剝離發(fā)生的原因

軸承外圈剝離發(fā)生的概率高于內(nèi)圈和滾子，這是由外圈的工作狀態(tài)決定的，外圈的安裝位置是固定的，其承載區(qū)位于外圈的上部區(qū)域，載荷集中作用于這一區(qū)域，其他區(qū)域不受力，如圖2所示。而內(nèi)圈和滾子的承載區(qū)是變動(dòng)的，接觸頻率相等，因此外圈發(fā)生剝離的概率高于內(nèi)圈和滾子。

圖2 軸承外圈承載狀態(tài)示意圖

經(jīng)過(guò)對(duì)剝離軸承進(jìn)行原材料化學(xué)成分、非金屬夾雜物、金相組織、剝落表面形貌、鋼中氣體分析及硬度檢查，發(fā)現(xiàn)多數(shù)是次表面起源型的非金屬夾雜物引起的剝離，其次，由表面起源型的網(wǎng)狀碳化物引起的剝離也偶有發(fā)生。

滾動(dòng)軸承在循環(huán)應(yīng)力作用下，滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生的重復(fù)應(yīng)力引起組織變化，并在表面下某一深度開(kāi)始出現(xiàn)顯微裂紋，產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)變化，區(qū)域內(nèi)材料晶格發(fā)生滑移，進(jìn)而萌生疲勞裂紋。顯微裂紋的出現(xiàn)常常是由軸承鋼中的夾雜物引起的，次表層金屬材料中的非金屬夾雜物周?chē)鷷?huì)受到拉伸和壓縮的交變應(yīng)力，由于非金屬夾雜物的存在破壞了金屬的連續(xù)性，在鋼的基體組織間產(chǎn)生間隔，削弱了周?chē)慕佑|強(qiáng)度，并在交變接觸應(yīng)力的作用下，在間隔處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞源，這種交變應(yīng)力使非金屬夾雜物區(qū)的彈性能變成變形能而產(chǎn)生裂縫，裂縫兩側(cè)反復(fù)受到擠壓，裂縫沿主應(yīng)力方向發(fā)展，通常向滾動(dòng)接觸表面擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料剝離[2]。

2.1 非金屬夾雜物的大小與外圈剝離的關(guān)系

夾雜物引起外圈剝離只有滿足一定條件才會(huì)發(fā)生，剝離通常發(fā)生在最大剪切應(yīng)力的位置，此處深度約為接觸橢圓的短軸半徑1/2處，假定缺陷為圓形缺陷，當(dāng)該處存在圓盤(pán)狀龜裂并且直徑超過(guò)龜裂進(jìn)展臨界直徑時(shí)，在最大接觸面壓條件下會(huì)發(fā)生剝離。

以時(shí)速380 km的動(dòng)車(chē)組為例，最大接觸面壓為1.7 GPa，最大剪切應(yīng)力深度0.21 mm，根據(jù)有關(guān)資料介紹的最大接觸面壓和龜裂進(jìn)展的臨界尺寸關(guān)系圖，可以查出導(dǎo)致軸承發(fā)生剝離的形狀為球狀，非金屬夾雜物的臨界尺寸大約為110 μm。

通過(guò)對(duì)失效軸承外圈剝離滾道表面剝離核心源區(qū)剖面進(jìn)行變倍觀察，沒(méi)有在滾道表面發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物，這是由于剝落后軸承繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)剝離源區(qū)被擠壓磨損破壞了原始形貌。對(duì)實(shí)際發(fā)生剝離的軸承進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)剝離源區(qū)滲碳層近表面下單顆粒夾雜物的大小遠(yuǎn)小于臨界尺寸，一般A類(lèi)(MnS)夾雜物尺寸大小為40～70 μm，D類(lèi)(氧化物)夾雜物尺寸大小為20 μm左右，為什么在遠(yuǎn)小于臨界尺寸時(shí)仍發(fā)生剝離的原因尚不清楚，這可能與夾雜物的分布與聚集程度有密切關(guān)系，密集分布的混合夾雜物可以與尺寸相應(yīng)大的夾雜物作用相當(dāng)。

2.2 車(chē)輪擦傷(剝離)或車(chē)輪失圓對(duì)軸承剝離的影響

車(chē)輪擦傷或失圓(呈多邊形)后，車(chē)輪所承受的沖擊載荷比正常載荷會(huì)增加很多，不僅加速了車(chē)輪的損壞，還會(huì)將沖擊和振動(dòng)傳給軸承，使軸承承受遠(yuǎn)高于正常載荷的沖擊載荷，此時(shí)如果超出了軸承允許的接觸疲勞強(qiáng)度，就會(huì)造成軸承損壞。

同時(shí)，車(chē)輪失圓后滾動(dòng)圓狀態(tài)發(fā)生變化，車(chē)軸的運(yùn)行軌跡不再是直線，在車(chē)軸傾斜情況下,軸承的受力不僅有徑向載荷還會(huì)產(chǎn)生軸向載荷,軸向載荷引起偏載,偏載會(huì)導(dǎo)致雙列圓錐滾子軸承中的一列軸向游隙趨向?yàn)榱?受力不再是由兩列軸承平均承擔(dān),而更加偏向于局部，超出了材料的承受能力,會(huì)加速軸承剝離的發(fā)生。

2.3 安裝精度對(duì)軸承剝離的影響

軸承安裝位置如果偏離幾何中心,軸承的受力就會(huì)偏向一側(cè)，嚴(yán)重時(shí)雙列滾子中的一列軸向游隙為零，應(yīng)力不是均勻地分布在雙列滾道面上，而是集中在一邊，形成局部接觸，使軸承一側(cè)滾道局部產(chǎn)生過(guò)載，造成軸承外圈滾道早期疲勞剝落。有資料顯示，一側(cè)軸承軸向游隙為零時(shí)的壽命是正常壽命的1/10。

3 降低外圈剝離發(fā)生率的對(duì)策

3.1 提出更嚴(yán)格的非金屬夾雜物及化學(xué)成分的要求

有關(guān)軸承鋼非金屬夾雜物的GB/T 18254標(biāo)準(zhǔn)對(duì)夾雜物的要求是軸承行業(yè)的通用要求，檢測(cè)數(shù)據(jù)表明發(fā)生剝離的軸承多數(shù)是符合標(biāo)準(zhǔn)的，由于高鐵行業(yè)對(duì)安全要求的特殊性，以及軸承工作環(huán)境的復(fù)雜性，諸如持續(xù)高速運(yùn)行，彎路和山路較多，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，跨區(qū)域溫差變化大等因素，所以?xún)H僅滿足GB/T 1824標(biāo)準(zhǔn)是不夠的，還要提出一些特殊要求。

國(guó)標(biāo)、SKF標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸承夾雜物的要求，如表1所示可以看出，我國(guó)軸承鋼在非金屬夾雜物的控制方面屬?lài)?guó)際一般水平，與先進(jìn)國(guó)家相比仍有一定差距。

表1 軸承鋼非金屬夾雜物不同標(biāo)準(zhǔn)合格級(jí)別 /級(jí)

同時(shí)，非金屬夾雜物的檢測(cè)，在試樣視場(chǎng)的選取上也有不同，對(duì)軸承鋼疲勞性能有重要影響的夾雜物，其位置在接觸疲勞應(yīng)力(赫茲應(yīng)力)最大位置區(qū)域，在該區(qū)域如果存在超過(guò)臨界尺寸的夾雜物，或有密集分布的夾雜物等效于臨界尺寸，就可能發(fā)生剝離。夾雜物的評(píng)判有A法和B法，A法是最?lèi)毫右晥?chǎng)評(píng)定法，以?shī)A雜物最大尺寸為重點(diǎn)，B法是逐個(gè)視場(chǎng)評(píng)定法，將每一視場(chǎng)夾雜物的分布、形狀、大小同標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖進(jìn)行比較，記下最符合的級(jí)別，無(wú)論A法和B法，僅對(duì)夾雜物的種類(lèi)、尺寸和形狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)夾雜物的分布和集聚沒(méi)有體現(xiàn)，更沒(méi)有對(duì)次表面最大接觸疲勞應(yīng)力處進(jìn)行針對(duì)性檢測(cè)。

鋼中殘余氧以B類(lèi)氧化物及D類(lèi)點(diǎn)狀不變形夾雜物的形式存在，控制殘余氧含量，間接控制了B類(lèi)及D類(lèi)夾雜物的含量。為了降低氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)采用各種先進(jìn)的熔煉工藝使氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡可能地降低，有資料證明：平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.7×10-4% 的CC(連鑄軸承鋼的工藝)鋼軸承的額定中值壽命為1 2×106～80×106轉(zhuǎn)，而平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8.3×10-4% 的 IC(普通軸承鑄鋼的工藝) 鋼軸承的額定中值壽命為7×106～35×106轉(zhuǎn)，CC鋼軸承的額定中值壽命大約是IC鋼軸承的額定中值壽命的兩倍[2]。為了減少剝離情況的發(fā)生，各軸承廠家對(duì)軸承鋼母材的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)提出嚴(yán)格限制，有的廠家已經(jīng)將氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)定為5 ppm以下。

降低鋼中殘余氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)降低夾雜物的影響非常有效，但無(wú)限降低殘余氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不僅增加了成本而且也是非常困難的，對(duì)此，有資料介紹國(guó)外軸承鋼廠采用熱等靜壓(HIP)處理技術(shù)，通過(guò)提高氧化物與基體的結(jié)合力延長(zhǎng)滾動(dòng)軸承的壽命。試驗(yàn)表明采用熱等靜壓(HIP)處理的低純凈度軸承鋼其軸承壽命可與用高純凈度軸承鋼制造的軸承壽命相當(dāng)。

3.2 對(duì)軸承材料性能提出更高的要求

彎道是客觀存在的，車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，軸承的其中一列滾道難免會(huì)承受一定的軸向力和沖擊力，使一側(cè)軸承載荷增加、游隙減少，工作條件相對(duì)比較惡劣，這就要求軸承有較好的綜合機(jī)械性能，尤其是工作表面要有更高的接觸疲勞強(qiáng)度。

過(guò)彎道產(chǎn)生的軸向力使其中一列滾子大端面與內(nèi)圈大端擋邊摩擦，產(chǎn)生熱量引起局部溫升及色澤變化，從兩列滾子殘余應(yīng)力及殘留奧氏體的差異就能證明，因此，在設(shè)計(jì)軸承時(shí)要充分考慮偏載時(shí)滾子大端面潤(rùn)滑和散熱情況。

目前軸承材料的研發(fā)沒(méi)有新的突破，軸承生產(chǎn)用鋼基本還是高碳鉻軸承鋼為主，對(duì)材料的熱處理工藝非常成熟，質(zhì)量也很穩(wěn)定，對(duì)其性能要求基本體現(xiàn)在硬度方面，滾子的硬度與內(nèi)外擋圈硬度相當(dāng)或略高，對(duì)表面硬度的均勻性要求較高，一般同一零件相差不超過(guò)2HRC，同一廠家不同速度等級(jí)的軸承采用相同的材質(zhì)，為了適應(yīng)不同速度等級(jí)對(duì)軸承的要求，只能通過(guò)改變幾何尺寸以及滾子的數(shù)量來(lái)滿足機(jī)械性能方面的要求。

3.3 提高熱處理質(zhì)量

軸承鋼熱處理的目的是為了獲得一定的表面硬度和內(nèi)部足夠的支撐，表面淬火硬度和心部淬火硬度依據(jù)受力載荷確定，淬火后的硬度分布曲線應(yīng)高于剪應(yīng)力分布曲線，剪應(yīng)力越高，相應(yīng)的滲碳層也應(yīng)越深。

有效滲碳層深度低了，不能承受較高應(yīng)力載荷，過(guò)大的滲碳層深度可能伴隨的大塊碳化物及網(wǎng)狀碳化物產(chǎn)生，將會(huì)破壞材料的連續(xù)性，增加鋼的脆性，降低軸承零件的疲勞壽命。因此合理掌控滲碳層深度是確定滲碳熱處理工藝的重要目標(biāo)，要經(jīng)過(guò)若干試驗(yàn)后方可確定。

3.4 使夾雜物密集區(qū)移出外圈滾道面

夾雜物往往在最后凝固的地方聚集，鋼錠中心一般是夾雜物最多的地方，因此，鍛造時(shí)考慮將這一部分材料去除是降低夾雜物的一個(gè)有效途徑，外圈的形狀特別適合這一方法。

可以通過(guò)改進(jìn)鍛造工藝，改變外圈內(nèi)表面夾雜物密集區(qū)的分布狀態(tài)及夾雜物的形狀，使夾雜物密度變得稀疏，形狀變得細(xì)長(zhǎng)，減小夾雜物的危害。對(duì)不能去除的夾雜物也可以通過(guò)鍛造時(shí)材料位置的移動(dòng)，使得滾道面附近夾雜物移動(dòng)到更加靠近端部，抑制滾道面附近非金屬夾雜物的聚集。

3.5 使用超聲波探傷檢出超標(biāo)非金屬夾雜物

制造軸承時(shí)，對(duì)每批鋼材進(jìn)行化學(xué)分析，用顯微鏡進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，能夠推測(cè)軸承鋼材中夾雜物的大小，但不能直接評(píng)價(jià)滾道面下部是否存在有害的夾雜物，用無(wú)損檢測(cè)方式檢測(cè)出滾道面下有害的夾雜物，可以防止以?shī)A雜物為起點(diǎn)的剝離，從而延長(zhǎng)軸承壽命。

使用超聲波檢測(cè)作為軸承成品的最終檢測(cè)，使用超聲波對(duì)滾道面進(jìn)行探傷，特別以滾道面下赫茲應(yīng)力的部位為重點(diǎn)，根據(jù)引起剝離的夾雜物的臨界尺寸，確定適宜的超聲波探傷的頻率，檢出內(nèi)部夾雜物超標(biāo)的外圈；在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，利用超聲波對(duì)滾道面探傷可以發(fā)現(xiàn)70 μm的夾雜物，遠(yuǎn)低于引起剝離的非金屬夾雜物的臨界尺寸110 μm。

3.6 提高軸承安裝精度

滾動(dòng)軸承在安裝過(guò)程中，應(yīng)避免內(nèi)外圈傾斜，使?jié)L柱在滾道上均勻接觸，避免局部過(guò)載現(xiàn)象，同時(shí)在軸承的使用過(guò)程中，應(yīng)盡量避免軸承傾斜工作。產(chǎn)生偏載的原因除了與軸箱及軸的強(qiáng)度有關(guān)外，還與軸箱與軸零件之間的配合有關(guān)，同時(shí)還要考慮整個(gè)轉(zhuǎn)向架的受力在4個(gè)軸箱體的分布是否均勻，以及轉(zhuǎn)向架4個(gè)軸箱彈簧高度差是否在允許的范圍內(nèi)，限制同軸兩輪的輪徑差以減少車(chē)軸的傾斜度，避免載荷向一邊傾斜。

3.7 定期鏇輪，減少車(chē)輪失圓對(duì)軸承的沖擊

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行以后，車(chē)輪的滾動(dòng)圓會(huì)發(fā)生一些變化，磨損后滾動(dòng)圓呈多邊形，有的局部還有擦傷和剝離，對(duì)軸承產(chǎn)生激勵(lì)、沖擊或引起共振發(fā)生，同時(shí)，同一軸上兩個(gè)輪子直徑超差會(huì)產(chǎn)生偏載，增加軸承產(chǎn)生剝離風(fēng)險(xiǎn)，因此要求定期鏇輪。

4 結(jié)論

通過(guò)分析，導(dǎo)致動(dòng)車(chē)組車(chē)軸軸承發(fā)生剝離的主要原因有內(nèi)部原因和外部原因兩個(gè)方面。內(nèi)部原因?yàn)榉墙饘賷A雜物超標(biāo)，外部原因?yàn)檐?chē)輪擦傷(剝離)產(chǎn)生的周期性激勵(lì)和安裝不良引起的偏載。可以通過(guò)提高軸承鋼熔煉精度、優(yōu)化鍛造工藝、改進(jìn)檢測(cè)方法、提高安裝精度及定期鏇輪等措施降低或避免軸承剝離的發(fā)生。