牽引電動機公路運輸過程中軸承損傷原因及預(yù)防措施

金海善，郭四洲，閆曉凡，戚小龍

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

牽引電動機是電力機車的動力源，其大修時間間隔與滾動軸承使用壽命直接關(guān)聯(lián)。目前國內(nèi)大部分電力機車大修間隔里程數(shù)為(9～12)×105km，這對電機軸承的可靠性提出了較高的要求。除保證軸承計算壽命符合要求外，避免在安裝、運用和維護過程中出現(xiàn)意外損傷也是需要注意的問題。在長途公路運輸過程中產(chǎn)生的軸承運輸損傷是軸承意外損傷形式之一，損傷嚴(yán)重的電動機裝車運行不久即產(chǎn)生軸承異常聲，損傷較輕的會在軸承滾道表面壓痕處形成疲勞裂紋源，加速軸承疲勞剝落，進而造成軸承抱死。

一般軸承運輸損傷屬于微動腐蝕磨損的一種，起源于設(shè)備運輸過程中軸承零件之間的相對微量運動。文獻[1]對微動磨損的產(chǎn)生機理、特征、危害及影響因素進行了綜述。微動腐蝕[2]會導(dǎo)致軸承振動，降低疲勞壽命[3]，可通過改變力學(xué)參數(shù)[4]、軸承設(shè)計參數(shù)[5,7]、使用涂層[6,8]等方法降低微動磨損程度?，F(xiàn)以牽引電動機為例，分析在長途汽運過程中軸承損傷的原因，并提出預(yù)防措施。

1 故障現(xiàn)象

我公司產(chǎn)生運輸損傷的某型牽引電動機廣泛運用于國內(nèi)某貨運機車上，其軸承配置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中傳動端使用N332圓柱滾子軸承，非傳動端使用6326深溝球軸承?，F(xiàn)有運輸防護方案為使用一根M16的螺桿(圖2)頂緊測速齒盤，防止轉(zhuǎn)子振動和轉(zhuǎn)動。

圖1 電機軸承配置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration structure diagram of motor bearing

圖2 頂緊螺桿Fig.2 Puller screw

在實際使用過程中，對返廠電機軸承進行拆解發(fā)現(xiàn)，非傳動端及傳動端軸承均產(chǎn)生不同程度的運輸損傷，其中傳動端軸承運輸損傷呈線狀，壓痕表面與周圍區(qū)域相比較為光亮(圖3)，主要集中于外圈滾道下方；非傳動端軸承壓痕與周圍區(qū)域相比則顏色顯得較深，長度較長，明顯偏向于溝道一側(cè)，且壓痕在溝道圓周方向呈等間距分布(圖4)。

圖3 圓柱滾子軸承滾道表面壓痕損傷Fig.3 Indentation damage on raceway surface of cylindrical roller bearing

圖4 深溝球軸承溝道表面壓痕損傷Fig.4 Indentation damaged on raceway surface of deep groove ball bearing

使用表面輪廓檢測儀對損傷軸承表面進行檢測，發(fā)現(xiàn)傳動端軸承壓痕深度最大約7 μm，非傳動端軸承壓痕深度最大約12 μm，其壓痕表面輪廓分別如圖5、圖6所示。由圖可知，在傳動端軸承壓痕處，其金屬表面產(chǎn)生了一定程度的凹陷(圖5)；非傳動端軸承溝道也有一定程度的凹陷(圖6)。

圖5 損傷的圓柱滾子軸承外圈輪廓圖(滾子凸度曲線擬合后)Fig.5 Profile of damaged cylindrical roller bearing outer ring (after roller convexity curve fitting)

圖6 損傷的深溝球軸承外圈溝道壓痕Fig.6 Indentation on outer ring raceway of damaged deep groove ball bearing

根據(jù)ISO 15243:2017[2]標(biāo)準(zhǔn)描述，軸承的偽布氏壓痕(圖7a)產(chǎn)生于振動腐蝕，會在軸承表面形成針狀凹槽；對于相對靜止的滾子和滾道表面，則會形成接觸腐蝕(圖7b)，這是軸承表面氧化的痕跡，屬于濕氣腐蝕的一種。

圖7 偽布氏壓痕和接觸腐蝕Fig.7 False brinelling and contact corrosion

滾動軸承的滾道面上一旦發(fā)生微壓痕，則以壓痕為起點萌生裂紋，由于裂紋的擴展，有時會發(fā)生剝落，可能引起軸承發(fā)生熱黏著等嚴(yán)重故障。電機軸承的運輸損傷從宏觀上看與ISO 15243:2017標(biāo)準(zhǔn)中的偽布氏壓痕和接觸腐蝕類似但不完全一致， 與其相比，圖3中的壓痕表面僅產(chǎn)生了類似拋光發(fā)白的痕跡，而沒有明顯的刻痕；圖4中接觸腐蝕區(qū)域的長度方向并不是沿軸向方向，而是沿周向方向。二者在表現(xiàn)程度上有所差別，但是產(chǎn)生機理上是一致的。為了進一步確定兩端軸承表面形貌產(chǎn)生的變化，使用電子顯微鏡對傳動端軸承發(fā)白區(qū)域及非傳動端軸承表面褐色區(qū)域進行觀察，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，2個區(qū)域均有一定的表面形貌粗糙峰被壓平的痕跡，同時深溝球軸承壓痕表面有一定量的分散顆粒物。為進一步確定2種變色表面的元素，對壓痕區(qū)域表面元素成分進行能譜分析，結(jié)果見表1。

圖8 軸承滾道表面運輸損傷區(qū)域的微觀形貌Fig.8 Micromorphology of transportation damage area on raceway surface of bearings

表1 壓痕區(qū)域掃描電鏡元素分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of elements in indentation area by SEM %

由表1可知，圓柱滾子軸承運輸損傷區(qū)域元素與軸承內(nèi)部金屬的成分相近，說明產(chǎn)生壓痕的滾子與滾道之間僅產(chǎn)生了類似于拋光的作用，壓痕區(qū)域金屬組織元素成分并未發(fā)生明顯變化，未出現(xiàn)新的元素；但深溝球軸承運輸損傷區(qū)域氧元素明顯偏高，結(jié)合表面形貌以及顏色推斷該褐色物質(zhì)為鐵銹。

2 故障原因分析

現(xiàn)有電動機運輸防護方案如圖9所示。圖中：G轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子重力；G齒為小齒輪重力；L1，L2，L3，L4分別為小齒輪質(zhì)心距傳動端軸承、轉(zhuǎn)子質(zhì)心距傳動端軸承、轉(zhuǎn)子質(zhì)心距非傳動端軸承、測速齒盤距頂緊螺桿頭部的距離。進行受力分析發(fā)現(xiàn)，該方案不能對電機軸承起到防護作用，一是螺桿和測速齒盤之間的摩擦力矩太小(僅10 N·m左右)，不能防止質(zhì)量超過600 kg的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；二是在30 kN軸向推力下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動造成非傳動端軸承溝道與球的接觸面間缺乏油膜保護(圖10)，使其暴露在空氣中發(fā)生銹蝕。雖然螺桿壓緊于測速齒盤的壓力高達30 kN，但經(jīng)過換算后，該壓緊力產(chǎn)生的摩擦力在轉(zhuǎn)子中心僅產(chǎn)生1 000 N左右的振動抑制力，而電動機運輸過程中轉(zhuǎn)子上下振動最大加速度可達3g(g=9.8 m/s2)，端部螺栓和測速齒盤之間的摩擦力不能抑制轉(zhuǎn)子上下振動，振動造成傳動端軸承滾子和滾道面反復(fù)撞擊，產(chǎn)生擊蝕，使其表面發(fā)白，因此兩端軸承產(chǎn)生不同色變。

圖9 軸系零件關(guān)系尺寸示意圖Fig.9 Relationship diagram of shafting parts dimension

圖10 大載荷下球排開溝道表面油膜原理圖Fig.10 Schematic diagram of squeezing away oil film between raceway surface and ball under heavy load

3 解決方案

為了避免軸承運輸損傷，參照現(xiàn)有工裝，使用一種全新的運輸防護方案，如圖11所示。從傳動端壓緊電動機轉(zhuǎn)子，由于傳動端端蓋上設(shè)計時沒有預(yù)留安裝雙頭螺桿的螺紋孔，利用端蓋上現(xiàn)有的螺紋孔設(shè)計了上下2個墊塊，以保證2根雙頭螺桿壓緊中間槽鋼時壓緊力正好通過轉(zhuǎn)軸中心，使非傳動端球軸承均勻受力。

圖11 運輸防護工裝Fig.11 Transportation tool for protection

M16的螺桿通過槽鋼施加于小齒輪的軸向推力F=30 kN，槽鋼作用于小齒輪的重合部分如圖12所示，不計槽鋼變形，槽鋼對小齒輪表面的壓強為

圖12 槽鋼作用于小齒輪重合部分示意圖Fig.12 Overlapping diagram of channel steel acting on pinion

由于壓緊面和轉(zhuǎn)軸端面的接觸面積較大，產(chǎn)生的摩擦力矩為

T=4(TΙ+TΠ)≈

式中：TⅠ，TⅡ分別為區(qū)域Ⅰ，Ⅱ的摩擦力矩；r為圓柱坐標(biāo)積分的半徑參數(shù)；φ為弧度參數(shù)；f為摩擦因數(shù)，鋼材與鋼材接觸時，取f=0.15。通過計算可得T=112 N·m。

若在槽鋼表面作防滑處理，取摩擦因數(shù)f=1，槽鋼施加于轉(zhuǎn)軸的摩擦力矩可達747 N·m，在這種情況下可有效抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時由于壓緊力作用于傳動端，作用于轉(zhuǎn)子中心的等效作用力可達2×104N，可有效抑制轉(zhuǎn)子上下振動。

將10臺裝有新工裝的試驗電動機由蘭州機務(wù)段發(fā)出，經(jīng)1 716 km長途汽運返回株洲，返廠后對電機軸承進行拆解，發(fā)現(xiàn)其表面無肉眼可見的運輸損傷壓痕(圖13)，使用圓度儀及輪廓儀對軸承進行檢測，也未見滾道表面有異常，證明新工裝可有效防止軸承發(fā)生運輸損傷。

4 結(jié)束語

對現(xiàn)有牽引電動機軸承運輸損傷機理及其防護方法進行了研究，闡釋了電動機兩端軸承產(chǎn)生不同色變的原因，傳動端軸承損傷由滾子與滾道之間的反復(fù)擊蝕造成，非傳動端軸承損傷是由于在較大軸向載荷作用下，球與溝道之間的油膜被擠出，摩擦力矩不足以抑制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，造成了球與溝道表面金屬氧化。為此，開發(fā)了一種新型機車電機軸承運輸防護裝置，經(jīng)使用證明，該裝置可有效避免電機軸承的運輸損傷。