關于軌道交通車輛軸承異響方案的研究
2018-12-17 09:13:14朱新榮吳雪陽畢修令李宏陽
中國設備工程 2018年22期
朱新榮，吳雪陽，畢修令，李宏陽
（南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司，江蘇 南京 210031）
目前城市軌道交通的迅猛發(fā)展，伴隨著軌道車輛的批量交付壓力，通過占用鐵路交通資源進行軌道車輛鐵路運輸?shù)姆绞揭呀?jīng)變得不再現(xiàn)實，尤其是運往國外的軌道車輛，需要通過海運和公路運輸?shù)姆绞綄④囕v運輸?shù)接脩魣龅?。然而在公路和海運的運輸后，已有較多項目出現(xiàn)車輛牽引電機端部軸承的異響、抱死和掃鏜故障，轉向架軸箱軸承異響、剝離等故障，嚴重影響了車輛的上線率和運營指標。為解決運輸原因導致的車輛軸承發(fā)生的電機異響或抱死故障，同時也為了減少因車輛運輸導致車輛部件返廠維修的連帶損失，對車輛運輸過程中的軸承故障的匯總分析，并提出有效且可靠的解決方案變得尤為重要。
1 概述
在列車通過公路、海運或混合運輸后，依據(jù)車輛的運輸遠近以及途經(jīng)道路狀況的影響，有較多車輛在運輸?shù)蕉魏笕?、四年內即出現(xiàn)了運營過程中的異響。經(jīng)過對牽引電機和軸箱軸承的拆解，除了油脂顏色變深、油脂異常堆積外，還在較多的拆解軸承承載區(qū)表面出現(xiàn)了2～6條軸向的輕微直痕（布氏硬度壓痕），直痕以滾動體間距分布且與端面垂直，嚴重狀態(tài)下將出現(xiàn)軸承剝離狀態(tài)，如下圖1所示。
圖1 轉向架和電機軸承承載面直痕
為解決上述靜壓痕產(chǎn)生的轉向架軸承和電機軸承異響情況，常常需要對營運列車進行扣車更換，耗費大量的人力、物力和財力。為了盡快解決該問題，需要對靜壓痕發(fā)生的原因以及后續(xù)的處理措施進行預防性研究。
2 原因分析
2.1 滾動軸承的失效機理
滾動軸承的使用壽命與軸承的制造、裝配、使用緊密相關，每個環(huán)節(jié)都必須嚴格保證質量，才能使得軸承處于最佳的運轉狀態(tài)，從而延長軸承的使用壽命。然而在實際的軸承使用過程中，受滾動軸承的結構、材料、潤滑和工作載荷等條件的差異影響，軸承損壞的狀況和形式會有所不同。單純從失效機理來分類，滾動軸承常見的失效形式有疲勞、磨損、腐蝕、塑性變形、裂紋、燒損、斷裂、電蝕等。當設備內部的軸承因運行中動載過大、搬運、組裝、運輸或拆裝時碰傷，會導致軸承上出現(xiàn)機械損傷性壓痕。在出現(xiàn)機械性損傷后，雖然加注的油脂可以在軸承轉動過程中形成油膜進行保護，防止軸承和軸承座之間出現(xiàn)干性摩擦，但是軸承在經(jīng)過有壓痕位置時，會將建立的油膜表面向外擴張，油脂擠壓，因此在列車中低速時，產(chǎn)生周期性的異音。在列車高速運行時，由于受輪軌間等外界影響，不易對異響進行辨認。這也是對軸承異音故障的判定多發(fā)生在低速狀態(tài)下的原因，后續(xù)多數(shù)通過車輛檢測設備等儀器對故障點進行確認。為了說明問題，現(xiàn)以電機軸承為例說明運輸過程中可能造成的軸承壓痕問題。
2.2 故障原因分析
牽引電機的軸承一般分為驅動端軸承和非驅動端軸承。針對電機軸承的布置，電機供應商一般有兩種軸承使用方式。
（1）斯柯達、ABB、南車株機、永濟電機、阿爾斯通新造項目、龐巴迪等廠家提供的非驅動端為深溝球軸承，驅動端為圓柱滾動軸承。
（2）西門子、阿爾斯通老線、日本東芝等采用的是非驅動端為圓柱滾動軸承，驅動端為深溝球軸承。
上述兩種設置方式不同的原因，主要源自于設計廠家對電機壽命和效益的考慮，鑒于電機設計廠家的技術保護，在此不做深入分析。通常情況下，電機軸承的設置為深溝球軸承和圓柱滾動軸承配合使用，如下圖2所示。
圖2 某產(chǎn)品電機設置圖
電機中用的兩種軸承相同點是承受徑向負荷為主(承載)，并能承受小部分軸向負荷(軸竄)。二者不同點是，深溝球軸承使用極限轉速較高，軸向負荷承受能力相對較大，徑向負荷承受能力相對較?。粓A柱滾子軸承使用極限轉速沒有深溝球軸承高，基本不能承受軸向負荷，但徑向負荷承受能力相對較大。
（1）非驅動端軸承故障分析。驅動端深溝球軸承與非驅動端圓柱滾子軸承都存在對應的徑向與軸向游隙，如下圖3所示。電機轉子支撐在驅動端深溝球軸承與非驅動端圓柱滾子軸承上。如果電機轉子不轉動，則處于承載區(qū)的電機軸承（內圈、外圈、滾動體等）部件位置相對固定。當電機處于外界的隨動環(huán)境中，會導致電機轉子在支撐軸承允許的游隙范圍之內，隨外界振動而徑向振動，并且反復的作用在相同位置。
依據(jù)GB/T 26411—2009 / ISO 15243：2004軸承的偽壓痕描述如下：“對周期性振動導致彈性接觸面的微小運動或回彈，滾動體和滾道接觸區(qū)將出現(xiàn)偽壓痕，根據(jù)振動強度、潤滑條件或載荷的不同，腐蝕和磨損會同時產(chǎn)生，在滾道上形成淺的凹陷……”。依據(jù)上述偽壓痕說明，以及實際項目對軸承故障的魚刺骨排查方法，非驅動端的軸承壓痕不排除因運輸原因導致偽壓痕的故障，而且隨著車輛運輸距離的加長和運輸行經(jīng)道路狀態(tài)的不良影響，長時間和高頻度的在軸承承載區(qū)域產(chǎn)生的偽布氏壓痕將進一步加重，直接影響到軸承的使用壽命和車輛的可使用率。
圖3 球軸承和圓柱滾動軸承游隙軸向側剖示意圖
（2）驅動端軸承故障分析。對應牽引電機驅動端的異響和掃鏜問題，通過簡單的對比分析，僅能推測驅動端的異響和掃鏜問題與電機驅動端的軸承基座和軸承配合設計構造有較大關聯(lián)，目前出現(xiàn)故障問題的電機設計方還在進一步研究和升級改造中，改造結果還需進一步驗證和跟蹤。
（3）目前的解決方案
為了解決因靜態(tài)偽布氏壓痕造成的車輛軸承異音、剝離等問題，現(xiàn)在廠家主要有兩種方案進行防護：①在對單體電機運輸時，在運輸過程中對圓柱滾動軸承（非驅動端）一端用運輸鎖（螺栓螺母）把軸承游隙累積到一側，減輕單體運輸過程中可能產(chǎn)生的微小軸向運動，減少軸承發(fā)生假性布氏壓痕的可能性。②對應整車運輸或者單個帶電機的轉向架進行運輸時，為了固定軸承，通常是將轉向架的兩個半聯(lián)軸節(jié)（電機的驅動端）進行分離，并通過繃帶或其它分隔緊固的方式將電機和轉向架軸承進行抬升固定。
2.3 現(xiàn)狀總結
目前在運輸過程中僅能上述②進行防護，在列車已經(jīng)運輸?shù)蕉魏?，通過軸承溫度貼紙或紅外檢測裝備對軸承部位進行監(jiān)控，以此來完成初步的篩查。然而依據(jù)效果反饋，在上述防護操作下只能從一定程度上減緩軸承壓痕的深度，無法保證軸承無異響，需要考慮更優(yōu)和更可靠的方式解決此問題。
3 公路運輸?shù)目尚行愿倪M方案
為了解決上述電機軸承故障、轉向架軸承故障，除了嚴格按照牽引供方的要求對滾柱軸承端添加運輸鎖和固定轉向架輪對來緩解假性布氏壓痕之外，為了從源頭上解決相對靜止狀態(tài)下的頻繁微振動導致靜壓痕，考慮通過帶動車輛輪餅跟轉的方式消除靜止狀態(tài)下的偽布氏壓痕，例如通過鐵路運輸方式或者在車輛轉向架輪對下部增加帶轉小軸承（或膠輪）的方式進行。
圖4 帶小軸承運轉的車輛運輸方案
基本構思如上圖4所示，主體思路是將此工裝安裝在運輸城軌車輛的車輛上，通過對膠輪的帶轉，來使軌道車輛的輪餅處于長時間的慢速跟轉中。通過上述方式，盡可能的減少車輛從裝車運輸?shù)叫盾嚨蕉芜^程中出現(xiàn)的絕大部分靜態(tài)沖擊和壓痕存在的可能性。
用吊車或使用工裝將車輛架起或者轉向架懸空后，將轉向架落到支撐軸承B（或膠輪）上，依靠重力作用將膠輪下壓，利用膠輪下壓力將前后從動輪A抬升并支撐轉向架前后輪對，驅動電機利用旋轉皮帶帶動橡膠輪旋轉，通過橡膠輪帶動轉向架輪餅進行跟轉。其中驅動電機的動力來自于三相異步電機或小型的燃油電機提供動力。因只需要通過電機克服膠輪摩擦力后跟轉即可，因此不需要較高的轉速。小軸承（或膠輪）的運轉方案如圖5。
圖5 小軸承（或膠輪）的運轉方案
其中B輪表示在車輪靜止狀態(tài)下主動輪，通過該主動輪克服輪對摩擦力即可，在輪對轉動之后通過A輪的從動輪帶轉輪對持續(xù)轉動，A/B輪的驅動力來源于放置在車輛上的小型驅動電機來實現(xiàn)。通過將轉向架落在運輸車輛特制的小軸承（或膠輪）隨動系統(tǒng)上的方式，可以避免將城軌車輛整體架空，需尋找合適架空點的問題。與此同時，通過用A/B的主動從動輪方式，可以將同一個轉向架上的兩套隨動系統(tǒng)進行主從配合，避免在運輸過程中一套軸承系統(tǒng)故障導致的車輛無法繼續(xù)隨動問題。轉向架和小軸承帶轉示意圖如圖6。
圖6 轉向架和小軸承帶轉示意圖
4 公路運輸?shù)目尚行苑桨?/h2>
通過上述方式可以有效的解決靜止狀態(tài)下出現(xiàn)振動沖擊導致偽壓痕出現(xiàn)的可能。目前上述的軸承隨動系統(tǒng)還在試驗過程中，下一步需要考慮的問題是轉向架輪對的隨動系統(tǒng)中的車寬方向的滑動如何進行防護，避免在長途運輸過程中轉彎造成列車側滑且不損傷輪對內側的方案。
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