JD160輪驅(qū)裝置軸承故障分析

寧華冰，周 彬，董健全

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，1.高級(jí)工程師，廣西 南寧 530029；中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 南寧機(jī)務(wù)段，2.工程師，3.高級(jí)工，廣西 南寧 530001）

0 引言

摩擦是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中能量轉(zhuǎn)化的基本力，全球工業(yè)能源的1/3消耗于摩擦，在用軸承中的36%因?yàn)榫S保不當(dāng)而失效。故此，減摩是中國(guó)式現(xiàn)代化進(jìn)程中鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的重要議題。軸承作為能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，失效后不僅造成能源浪費(fèi)、環(huán)境污染，故障發(fā)展至滾動(dòng)體破碎、傳動(dòng)軸熱切直接導(dǎo)致鐵路交通事故，嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全。2021年中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司南寧機(jī)務(wù)段（全文簡(jiǎn)稱南機(jī)段）配屬153 臺(tái)HXD1C 型機(jī)車，該機(jī)車采用JD160輪對(duì)驅(qū)動(dòng)（全文簡(jiǎn)稱輪驅(qū)）裝置。2015至2017年，基于輪驅(qū)裝置局部軸承結(jié)構(gòu)薄弱及周期性維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)?shù)葼顩r，出現(xiàn)軸承故障高發(fā)的趨勢(shì)。開展降低輪驅(qū)裝置軸承故障率為主要目的的研究工作，在維護(hù)鐵路機(jī)車設(shè)備質(zhì)量及安全效益方面具有重要的價(jià)值。

1 JD160輪驅(qū)裝置軸承故障分布及概率

南機(jī)段6A 車載走行部安全檢測(cè)（AT1）子系統(tǒng)的JD160 輪驅(qū)裝置軸承檢測(cè)范圍：918 條輪驅(qū)；其中768條采用北京唐智科研有限公司JK11430B型AT1系統(tǒng)，150 條采用成都運(yùn)達(dá)科研有限公司YD-1 型AT1 子系統(tǒng)，匹配相應(yīng)的AT1 地面分析軟件進(jìn)行檢測(cè)。2016、2017 年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)JD160 電機(jī)N 端軸承故障大于40件，軸箱、抱軸軸承均在10件上下，詳細(xì)分布見(jiàn)圖1。

圖1 JD160輪驅(qū)軸承故障數(shù)趨勢(shì)

對(duì)JD160與YJ85A輪驅(qū)裝置軸承故障率進(jìn)行分析。故障率=故障數(shù)S÷走行百萬(wàn)公里M×100%（件/百萬(wàn)公里，全文同）。JD160 輪驅(qū)裝置軸承故障率為0.73（其中牽引電機(jī)N 端軸承故障率為1.08）。同期YJ85A輪驅(qū)整體軸承故障率為0.22。

2 JD160牽引電機(jī)N端軸承故障分析及改進(jìn)

2.1 車輪踏面對(duì)軸承故障的影響

JD160輪驅(qū)裝置運(yùn)行過(guò)程中需要的牽引力源自輪軌之間的摩擦。輪驅(qū)采用半懸掛方式組裝，一系簧上、簧下質(zhì)量分配近似于50%。沖擊載荷復(fù)雜，主要分析輪軌沖擊力的產(chǎn)生及吸收形式。輪軌沖擊力的產(chǎn)生以機(jī)車踏面故障形式方面進(jìn)行分析。踏面故障可分為：疲勞剝離、擦傷、多邊形、不圓度等?，F(xiàn)就踏面擦傷產(chǎn)生的擦傷沖擊勢(shì)能、踏面不圓度故障產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行定量分析。

擦傷故障踏面沖擊量值分析。建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)：踏面損傷在滾動(dòng)圓上，擦傷深度為1mm，車輪直徑D 為1000mm，單邊車輪支撐的重量M 為10000 千克（HXD1C 機(jī)車軸重23 噸）。擦傷弧長(zhǎng)等效于斜邊為1000mm，一直角邊長(zhǎng)999mm。弦長(zhǎng)=44.71mm=0.04471m 真空條件下自由落體1mm 時(shí)間T=這段時(shí)間車輪轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于擦傷長(zhǎng)度，則此時(shí)車速v= χ÷ T =0.04471÷0.0143=3.13m/s=11.27km/h。把車速放大10倍，即車速=112.7km/h時(shí)，T1=0.1T，即自由落體高度H1=0.1H。勢(shì)能E=MgH。11.27km/h、112.7km/h條件下，勢(shì)能分別為E=10000×9.8×0.001=98J；E1=10000×9.8×0.0001=9.8J。擦傷深度1mm，在11.27至112.7km/h速度范圍內(nèi)，沖擊勢(shì)能與速度成反比，呈線性關(guān)系，總體沖擊勢(shì)能較小。速度-勢(shì)能關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 擦傷條件下速度-勢(shì)能關(guān)系圖

不圓度的條件下振動(dòng)沖擊分析，建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)：不圓度深度等于1mm時(shí)，經(jīng)過(guò)的弧長(zhǎng)約為1/4 圓周。因此沒(méi)有類似自由落體造成的瞬時(shí)沖擊。車輪不圓度滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生危害性最小的正弦振動(dòng)，車速=100km/h 時(shí)，直徑D=1250mm 輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=v÷（πD）=100÷3.6÷（3.14×1.25）=7.01Hz，振動(dòng)力峰值F=MXf2g=10000×0.001×7.012×9.8=4815.7N。同法，車速v=20km/h時(shí)，振動(dòng)力峰值F1=197.6N。以不圓度=1mm為例，振動(dòng)沖擊力峰值與速度的平方成正比，高速運(yùn)行時(shí)總體沖擊力大，不圓度條件下速度-峰值振動(dòng)力關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

圖3 不圓度條件下速度-峰值振動(dòng)力關(guān)系圖

輪軌沖擊力向牽引電機(jī)傳導(dǎo)路徑及彌散。每只輪對(duì)承受重力125kN，最大承受牽引力47.5kN，分析圖4知：JD160輪驅(qū)裝置牽引電機(jī)采用3點(diǎn)支撐半懸掛方式。即牽引電機(jī)通過(guò)2個(gè)抱軸箱軸承支撐在輪軸上，另1 個(gè)支點(diǎn)通過(guò)電機(jī)吊桿吊裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上。振動(dòng)沖擊力分析：有踏面故障（見(jiàn)圖4）的車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的沖擊力大小與速度的2 次方成正比。出現(xiàn)多邊形故障，一般為奇數(shù)，在7-23 范圍內(nèi)可使用6A系統(tǒng)捕捉特征信號(hào)。多邊形故障的踏面，振動(dòng)頻率與多邊形數(shù)成正比，為車輪實(shí)際頻率的數(shù)倍。沖擊力（見(jiàn)圖5）一部分通過(guò)軸箱軸承、阻尼—彈簧系統(tǒng)傳遞到構(gòu)架上，由構(gòu)架吸收。另一部分通過(guò)抱軸承傳遞到牽引電機(jī)機(jī)體上，通過(guò)電機(jī)軸承傳遞到電樞軸上，由電樞軸吸收、彌散（見(jiàn)圖6）。機(jī)車從動(dòng)齒輪與車輪通過(guò)實(shí)心車軸聯(lián)接。造成齒輪與踏面故障信號(hào)都能向電機(jī)電樞軸傳遞。當(dāng)主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)有踏面擦傷故障的車輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了正常齒輪嚙合的扭矩作用力，還需承受額外的高頻共振沖擊力，才能使故障車輪從故障面沿鋼軌“爬升”到正常區(qū)域。這個(gè)額外的周期性沖擊，通過(guò)主動(dòng)齒輪的支撐部分，即牽引電機(jī)軸承傳導(dǎo)，由電樞軸吸收、彌散。在整個(gè)系統(tǒng)重力與牽引力的傳導(dǎo)鏈中，薄弱點(diǎn)為尺寸相對(duì)較小的牽引電機(jī)N端軸承。到2017年底為止，其故障率高于其它走行部部件。2017年HXD1C機(jī)車踏面二級(jí)報(bào)警月均超35臺(tái)，占機(jī)車總數(shù)的29.7%。輪驅(qū)裝置靠輪軌摩擦力，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)車直線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)被軸箱軸承、電機(jī)軸承吸收后轉(zhuǎn)化成熱能彌散到自然界。

圖4 輪對(duì)踏面剝離、裂損、熱疤、多邊形故障實(shí)例

圖5 輪軸中心作用力分析

圖6 電機(jī)懸掛裝置結(jié)構(gòu)［1］

2.2 輪軌硬度比與踏面故障生成的關(guān)系

南機(jī)段JD160 輪驅(qū)裝置輪對(duì)硬度分為3 個(gè)階段：2017年11月之前，用ER7牌號(hào)輪對(duì)。2017年11月之后，用ER8牌號(hào)輪對(duì)替代ER7牌號(hào)。2021年12月之后，用ER8 牌號(hào)輪對(duì)。JD160 輪驅(qū)裝置整體輪/軌硬度比基點(diǎn)HW/HR由≥0.73提升至≥0.77，最小輪/軌硬度比提升了5.5%。國(guó)內(nèi)外輪軌材質(zhì)及硬度詳見(jiàn)表1。鋼軌軌頭斷面硬度分布，典型牌號(hào)機(jī)車輪對(duì)斷面硬度分布見(jiàn)圖7、圖8。

表1 國(guó)內(nèi)外鐵路常用輪軌材料與硬度，最低硬度比［3］

圖7 U75V熱處理鋼軌軌頭斷面硬度分布（HRC洛氏硬度，點(diǎn)間距3mm）

圖8 U75V-ER8及其它典型牌號(hào)機(jī)車輪對(duì)斷面硬度分布（HB布氏硬度）

輪軌硬度匹配性在輪軌材料硬度匹配方面，基于早期的理論成果，同時(shí)考慮維修性、經(jīng)濟(jì)性等因素時(shí)，在輪軌磨耗都嚴(yán)重的情況下普遍使鋼軌硬度略高于車輪硬度，即輪軌硬度比（HW/HR）略小于1。近年來(lái)的輪軌磨耗試驗(yàn)研究認(rèn)為，在HW/HR 為0.95～1.15時(shí)，輪軌系統(tǒng)總磨耗較小，HW/HR＞1 時(shí)，輪軌材料變形和疲勞損傷較輕微，HW/HR=1.15時(shí)總磨耗最小，且接觸疲勞損傷最輕微。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)輪軌材料硬度匹配與車輪多邊形形成具有相關(guān)性，輪軌材料硬度比小于1.05時(shí)，車輪試樣容易發(fā)生多邊形磨耗；當(dāng)輪軌材料硬度比大于1.36時(shí)，車輪試樣幾乎不發(fā)生多邊形磨耗［3］。改善輪軌硬度比可減少車輪疲勞剝離、擦傷、多邊形、不圓度等故障的生成概率。

2.3 JD160與YJ85A牽引電機(jī)N端軸承載荷強(qiáng)度比較

從JD160電機(jī)和YJ85A牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面對(duì)比分析。分析圖9、10 知。HXD3CYJ85A 牽引電機(jī)N端，采用深溝球（37）、圓柱滾子（41）雙列軸承結(jié)構(gòu)，2017 至2021 年，此位軸承故障數(shù)為0 件。HXD1C機(jī)車JD160牽引電機(jī)N端，采用單列BB7009角接觸球軸承（“7”表示6 類角接觸球軸承）。僅2016、2017年，此位軸承故障為37件。顯而易見(jiàn)，在設(shè)計(jì)方面，JD160 牽引電機(jī)N 端軸承偏向于承受高速輕載的運(yùn)用環(huán)境。

圖9 HXD1C機(jī)車JD160牽引電機(jī)N端，單列BB7009型角接觸球軸承組裝結(jié)構(gòu)［1］

圖10 HXD3C機(jī)車YJ85A牽引電機(jī)N端，深溝球（序號(hào)37）圓柱滾子（序號(hào)41）雙列軸承結(jié)構(gòu)［2］

2.4 改進(jìn)技術(shù)方案

2.4.1 輪對(duì)材質(zhì)調(diào)劑及維護(hù)方面 （1）2017年11月建議使用（U75V）ER8 牌號(hào)的機(jī)車輪對(duì)替代ER7 牌號(hào)輪對(duì)，提高輪軌硬度比（HW/HR）。中車株機(jī)公司在2021年實(shí)施完畢。

（2）2018 至2021 年，以6A-AT1 系統(tǒng)檢測(cè)為主，降低踏面II級(jí)振動(dòng)報(bào)警率。2018年初細(xì)化車載AT1系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析JD160 輪驅(qū)鏇修輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。一是對(duì)6A系統(tǒng)走行子系統(tǒng)踏面II級(jí)報(bào)警信息，須按最小進(jìn)刀量鏇修整理輪對(duì)；二是HXD1C機(jī)車擔(dān)當(dāng)臨客牽引任務(wù)時(shí)，不允許出現(xiàn)踏面I級(jí)報(bào)警。

（3）篩查輪對(duì)多邊形故障診斷為6A 系統(tǒng)的弱點(diǎn)，采集振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度僅略高于總體振動(dòng)的背景噪聲強(qiáng)度；主動(dòng)分析車輛5T 檢測(cè)系統(tǒng)TDCS 數(shù)據(jù)，對(duì)JD160輪對(duì)踏面多邊形進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)結(jié)合人工檢查結(jié)果，分等級(jí)鏇修整理踏面。2019年5月實(shí)施。

2.4.2 輪驅(qū)裝置保養(yǎng)維護(hù)方面 2016 年規(guī)范潤(rùn)滑脂型號(hào)、定量補(bǔ)充JD160電機(jī)N端軸承潤(rùn)滑脂，改善運(yùn)用環(huán)境。

2.5 技術(shù)改進(jìn)方案實(shí)施效果分析

2016年8月開始實(shí)施第一階段措施：（1）解決油潤(rùn)不良問(wèn)題，2017 年8月對(duì)措施落實(shí)及效果進(jìn)行小結(jié)；2017年11月實(shí)施第二階段措施削弱踏面沖擊力，2018年8月進(jìn)行小結(jié)。發(fā)現(xiàn)：上述方案單一實(shí)施時(shí)，HXD1C 牽引電機(jī)N 端軸承故障率無(wú)明顯降低。（2）削弱踏面沖擊力與提高油潤(rùn)保養(yǎng)質(zhì)量同時(shí)實(shí)施后，HXD1C牽引電機(jī)軸承故障率極大降低，自2017年8月至2018 年5 月連續(xù)10 個(gè)月實(shí)現(xiàn)HXD1C 牽引電機(jī)N端軸承零故障，效果明顯（詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖11）。2018年1 月同步出現(xiàn)輪對(duì)鏇修數(shù)量上升，踏面二級(jí)報(bào)警數(shù)量下降的拐點(diǎn)。

圖11 2016年1月至2018年8月鏇修機(jī)車數(shù)、電機(jī)N端軸承故障數(shù)

一是通過(guò)優(yōu)化各級(jí)修程油潤(rùn)方案，2017年前通過(guò)6A系統(tǒng)主動(dòng)篩查疲勞剝離、擦傷、多邊形、不圓度等，結(jié)合人工檢查，按故障等級(jí)鏇修整理輪對(duì)踏面，2018 年降低至2 件/年。2018 年，南機(jī)段鏇修HXD1C機(jī)車輪對(duì)踏面接近300臺(tái)次，在2015至2022年達(dá)到峰值；同期JD160 電機(jī)N 端軸承故障數(shù)降至歷史最低值2 例。二是使用ER8 牌號(hào)輪對(duì)后，根據(jù)踏面機(jī)車尺寸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，減少輪對(duì)鏇修整理臺(tái)數(shù)，JD160電機(jī)N端軸承故障數(shù)量小幅度上升后趨于平穩(wěn)。2019 年后通過(guò)5T 數(shù)據(jù)分析，JD160 牽引電機(jī)N端單列BB7009型角接觸球軸承高速載荷性能較強(qiáng)，重載載荷性能較弱，具有高速輕載的特點(diǎn)。輪軌沖擊方面，ER8 牌號(hào)車輪硬度高，產(chǎn)生不規(guī)則損傷、多邊形故障發(fā)展周期較ER7牌號(hào)長(zhǎng)，大幅降低輪軌沖擊力，減少振動(dòng)能量的產(chǎn)生。三是嚴(yán)格規(guī)范JD160輪驅(qū)走行部油潤(rùn)保養(yǎng)維護(hù)、軸箱裝置檢修工藝。通過(guò)以上技術(shù)改進(jìn)，達(dá)成降低JD160 輪驅(qū)裝置軸承故障率的目標(biāo)。

3 JD160輪驅(qū)裝置軸箱軸承故障分析及改進(jìn)

3.1 原因分析

2015年、2016年JD160輪驅(qū)裝置軸箱軸承故障率為0.39。原因分析聚焦保養(yǎng)維護(hù)及軸箱附屬裝置兩方面。機(jī)車總體油潤(rùn)質(zhì)量方面，通過(guò)分析表1確定部分軸承故障系油潤(rùn)不良造成，其中缺油比例占40%。2014至2016年南機(jī)段配屬HXD1C機(jī)車共118臺(tái)，分別從西寧、重慶、洛陽(yáng)等機(jī)務(wù)段調(diào)入。該批次機(jī)車在有電區(qū)停放時(shí)間長(zhǎng)，未按3個(gè)月周期動(dòng)車保護(hù)軸承油膜，長(zhǎng)期未補(bǔ)充潤(rùn)滑脂的問(wèn)題。軸承潤(rùn)滑脂不足及潤(rùn)滑脂老化均影響潤(rùn)滑效果，導(dǎo)致軸承發(fā)熱量增大、振動(dòng)增大、異常磨損等，對(duì)軸承壽命負(fù)面影響較大。軸箱裝置密封性能方面，對(duì)HXD1C-0649機(jī)車51測(cè)點(diǎn)軸承外滾道一級(jí)報(bào)警故障情況分析，軸箱裝置密封性能不良直接導(dǎo)致軸承故障典型案例。承室進(jìn)水導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑脂乳化變質(zhì)，絕緣值降低，軸承破損見(jiàn)圖12。軸箱裝置密封墊密封不良，軸承室透水見(jiàn)圖13。因此，HXD1C軸箱裝置密封性能不良，直接導(dǎo)致軸承破損。技術(shù)提升方案：C4修更新HXD1C軸箱防水膠墊。C2、C3級(jí)修程開蓋檢查密封狀態(tài)。方案實(shí)施后，HXD1C軸箱軸承故障數(shù)量由2016、2017年均5件，減少至2018至2020年年均1件。

圖12 HXD1C-0649機(jī)車5軸同位軸承故障實(shí)例

圖13 HXD1C-0649機(jī)車5軸輪驅(qū)裝置軸箱裝置透水實(shí)例

3.2 技改方案及效果

JD160輪驅(qū)裝置軸箱軸承故障由速度傳感器安裝工藝落實(shí)效果不佳，密封不良、造成軸承潤(rùn)滑脂乳化，軸承絕緣性能遭破壞導(dǎo)致。通過(guò)改進(jìn)速度傳感器檢修工藝，包括用8.8 級(jí)M8×50mm 外六角螺栓替換內(nèi)六角螺栓，規(guī)范密封墊材質(zhì)及尺寸等措施，有效降低此故障率。

4 結(jié)束語(yǔ)

JD160 輪驅(qū)裝置軸承故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，剔除偶發(fā)故障后，通過(guò)規(guī)范并執(zhí)行JD160 輪驅(qū)裝置維護(hù)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，輪對(duì)踏面精細(xì)鏇修整理標(biāo)準(zhǔn)等一系列方案，有效抑制JD160輪驅(qū)裝置軸承故障率。其中，軸箱軸承故障率由2017 年前的0.39 降低至2018 年后0.04。JD160牽引電機(jī)N端軸承故障率由2016、2017年的1.08，降低至2018年0.09。