電力機(jī)車牽引電機(jī)軸承故障分析

楊志生

（天津電力機(jī)車有限公司，天津 300210）

1 牽引電機(jī)軸承安裝結(jié)構(gòu)簡介

此型號(hào)機(jī)車牽引電機(jī)共安裝3 個(gè)軸承，分別為驅(qū)動(dòng)端軸承NU330，非驅(qū)動(dòng)端軸承NU320、QJ318，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)車主動(dòng)從齒輪是斜齒，在嚙合過程中會(huì)產(chǎn)生徑向力和軸向力，牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端NU330 軸承和非驅(qū)動(dòng)端NU320 軸承，主要承受齒輪嚙合產(chǎn)生的徑向力，NU330 軸承受力較大，非驅(qū)動(dòng)端QJ318 軸承主要稱重齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力。

圖1 電機(jī)軸承位置結(jié)構(gòu)圖

2 牽引電機(jī)故障描述

檢修后的牽引電機(jī)在運(yùn)用過程中共計(jì)出現(xiàn)3 起軸承固死情況，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)裝置無法運(yùn)轉(zhuǎn)，造成機(jī)車機(jī)破，為查找、分析軸承故障原因，將牽引電機(jī)進(jìn)行了解體。

解體后發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)裝置外表正常，電機(jī)非齒側(cè)軸承NU320 潤滑脂狀態(tài)良好，電機(jī)齒側(cè)軸承NU330 軸承內(nèi)環(huán)出現(xiàn)1 處斷裂及5 處裂紋，滾子碎裂，軸承潤滑脂燒干。外封環(huán)儲(chǔ)油盤內(nèi)潤滑脂燒干，確認(rèn)軸承內(nèi)環(huán)斷裂是導(dǎo)致電機(jī)固死的原因。軸承故障現(xiàn)象如圖2。

3 軸承故障原因分析

首先對(duì)造成軸承故障的原因進(jìn)行逐項(xiàng)排查，包括：軸承質(zhì)量、設(shè)計(jì)壽命、組裝工藝等幾個(gè)方面。

圖2 軸承故障現(xiàn)象

3.1 故障電機(jī)軸承檢修質(zhì)量控制環(huán)節(jié)調(diào)查

牽引電機(jī)檢修企業(yè)對(duì)電機(jī)軸承的檢修質(zhì)量記錄進(jìn)行了查驗(yàn)，重點(diǎn)從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等方面，對(duì)比故障電機(jī)與其它電機(jī)在各項(xiàng)記錄中的差異。經(jīng)查驗(yàn)，牽引電機(jī)軸承檢修時(shí)的測量儀器、拆解/組裝該人員、新造游隙、檢修游隙、新造時(shí)的試驗(yàn)溫升和振動(dòng)、檢修時(shí)的試驗(yàn)溫升和振動(dòng)、軸承組裝過盈量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，均與其他電機(jī)無明顯差異。

3.2 檢修工藝核查

對(duì)比不同牽引電機(jī)廠家的檢修工藝，對(duì)拆解、清洗、檢查、組裝、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)工藝的科學(xué)有效性進(jìn)行驗(yàn)證。從核查結(jié)果看，兩家單位按照各自制定的工藝開展電機(jī)二年檢，工藝紀(jì)律檢查并未發(fā)現(xiàn)違反工藝的情況。通過工藝對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩家單位的軸承拆卸工藝存在的主要差異為：未發(fā)生軸承故障的企業(yè)采取火焰加熱軸承擋圈，熱量傳導(dǎo)給軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行軸承內(nèi)環(huán)拆卸；發(fā)生軸承故障的企業(yè)采取火焰加熱軸承內(nèi)環(huán)，軸承內(nèi)環(huán)直接受熱。

3.3 軸承送檢

綜合考慮NU330 軸承自身存在質(zhì)量缺陷、軸承拆解和組裝是時(shí)工藝不當(dāng)?shù)葘?duì)軸承物理特性可能造成的未知影響，為查找造成軸承故障的原因，委托具有專業(yè)資質(zhì)的軸承檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)故障軸承外觀及斷口情況、化學(xué)成分、表面硬度、金相組織進(jìn)行檢測、檢驗(yàn)。

3.4 故障軸承全面檢測

對(duì)3 臺(tái)牽引電機(jī)發(fā)生軸承故障的3 套NU330 軸承進(jìn)行編號(hào)，分別為1#、2#、3#。

（1）宏觀觀察。1#、2#、3#軸承整體外觀均呈現(xiàn)炭黑色燒損形貌，且內(nèi)環(huán)的傷損程度較為嚴(yán)重。內(nèi)環(huán)滾道面上均可見其各自滾子的壓痕印跡，同時(shí)內(nèi)環(huán)內(nèi)徑面可見明顯的寬窄不等、深淺不一的犁溝形貌，這表明3套軸承均受到了強(qiáng)烈的熱作用，內(nèi)環(huán)滾道面表層金屬已呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，且軸承內(nèi)環(huán)與各自配合的軸身發(fā)生了相互磨損。1#軸承內(nèi)環(huán)的斷口破壞程度嚴(yán)重，已無法根據(jù)現(xiàn)有斷口形貌判斷其裂紋源位置，也無法根據(jù)形貌找到對(duì)稱的偶合斷口面進(jìn)行拼合還原。2#軸承內(nèi)環(huán)的部分偶合斷口面上可見貝紋狀的疲勞擴(kuò)展弧線，并呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征，根據(jù)斷口形貌，將2#軸承內(nèi)環(huán)拼合還原，推斷2#軸承內(nèi)環(huán)的傷損應(yīng)起裂于內(nèi)環(huán)滾道面上，且靠近內(nèi)環(huán)端面，但依據(jù)現(xiàn)有多個(gè)斷口形貌已無法判斷該軸承內(nèi)環(huán)是先于哪個(gè)斷口起裂。3#軸承內(nèi)環(huán)存在一處貫通裂紋，該裂紋所在滾道面處可見一明顯缺損，將裂紋打開觀察其斷口形貌，斷口燒損嚴(yán)重，其中一側(cè)斷口保留一定的疲勞擴(kuò)展痕跡，根據(jù)該側(cè)斷口疲勞弧線擴(kuò)展的走向及內(nèi)環(huán)通裂處滾道面的形貌，可推斷出3#軸承內(nèi)環(huán)損傷起裂位置與2#軸承內(nèi)環(huán)起裂位置相似，均起裂于內(nèi)環(huán)滾道面上，且靠近內(nèi)環(huán)一端。1#、2#、3#軸承燒損嚴(yán)重（如圖3、圖4、圖5），外觀尺寸已無法檢測，無法提供判斷依據(jù)。

圖3 1#軸承外觀

圖4 2#軸承外觀

圖5 3#軸承外觀

（2）化學(xué)成分檢驗(yàn)（如表1）。按照GB/T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）》的要求，對(duì)送檢軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分進(jìn)行檢測，參照GCr15 軸承成分進(jìn)行分析，均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

（3）硬度檢驗(yàn)。按照GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 標(biāo)尺）》的要求，對(duì)送檢軸承的洛氏硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，1#、2#、3#軸承檢測心部硬度（表面燒損嚴(yán)重，無法對(duì)其表面硬度進(jìn)行檢測），檢測結(jié)果詳見表2。因各組件受到不同程度的熱作用，檢測的數(shù)值全部低于標(biāo)準(zhǔn)要求，僅能反映失效后的硬度值，只作為參考數(shù)據(jù)，不能作為評(píng)判依據(jù)。

表2 送檢軸承硬度檢測數(shù)據(jù) HRC

（4）顯微組織檢驗(yàn)。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)送檢軸承進(jìn)行顯微組織檢測，1#、2#、3#軸承的顯微組織如圖6、圖7、圖8 所示。由于三套軸承各組件均受到了不同給程度的熱作用（再次熱處理），其顯微組織發(fā)生了明顯改變，由原來的高碳鉻軸承鋼馬氏體淬火+回火組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織。無法依據(jù)這些組織評(píng)判該軸承初始材料是否存在異常。

圖6 1#軸承顯微組織

表1 送檢軸承內(nèi)圈的化學(xué)成分檢測結(jié)果 wt%

圖7 2#軸承顯微組織

圖8 3#軸承顯微組織

4 牽引電機(jī)軸承故障原因初步判定

軸承壽命L10 ≥100 萬km，發(fā)生故障的公里數(shù)遠(yuǎn)小于計(jì)算值，可排除軸承選型不當(dāng)?shù)囊蛩?。根?jù)工藝核查和軸承檢驗(yàn)結(jié)果初步分析，軸承故障初步判定為以下原因所致：一是故障軸承的電機(jī)檢修企業(yè)在批量生產(chǎn)的情況下，用火焰加熱內(nèi)環(huán)時(shí)操作不當(dāng)，以致內(nèi)環(huán)表面局部溫度過高，導(dǎo)致內(nèi)環(huán)滾道面局部被破壞，機(jī)車運(yùn)用中軸承內(nèi)環(huán)產(chǎn)生局部疲勞，出現(xiàn)傷痕后滾道面剝離，內(nèi)環(huán)斷裂最終導(dǎo)致軸承燒損。

5 避免牽引電機(jī)軸承類似故障的應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)2 家電機(jī)檢修企業(yè)工藝對(duì)比情況，故障軸承電機(jī)檢修企業(yè)在軸承拆卸工藝上進(jìn)行調(diào)整，取消直接加熱軸承內(nèi)圈的工藝方法，采取火焰加熱軸承擋圈，熱量傳導(dǎo)給軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行軸承內(nèi)環(huán)拆卸。同時(shí)牽引電機(jī)軸承故障的發(fā)生，為電機(jī)檢修企業(yè)敲響了警鐘，深刻地意識(shí)到產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)輸安全與企業(yè)命運(yùn)三者之間存在的必要且重要的聯(lián)系。

機(jī)車檢修質(zhì)量關(guān)乎鐵路運(yùn)輸安全，產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣投射出一個(gè)企業(yè)的綜合水平，在工藝制定、執(zhí)行環(huán)節(jié)，均應(yīng)深入分析、全面評(píng)審、貫徹到位，不斷提升產(chǎn)品檢修質(zhì)量。