鐵路貨車輪對軸承裂損故障分析

□ 樊麟華 □ 葛世東 □ 張關(guān)震 □ 徐文天 □ 劉春橋 □ 張明明 □ 王 碩

1.上海聯(lián)合滾動(dòng)軸承有限公司 上海 2002402.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所 北京 1000813.中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司濟(jì)南西車輛段 濟(jì)南 2500014.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司 北京 100081

1 故障情況

滾動(dòng)軸承是軸箱裝置的重要組成部分,不僅直接承受鐵路貨車的簧上重力,而且承受鋼軌對車輪的橫向、縱向沖擊。由此可見,滾動(dòng)軸承的負(fù)荷很大,性能直接影響鐵路貨車的運(yùn)行情況[1]。

軸承套圈原材料為20CrNi2MoA滲碳鋼,滲碳后表面洛氏硬度(HRC)可以達(dá)到59～63,滲碳深度一般要求為1.5～2.3 mm。選材的目的是滿足套圈使用過程中表面硬度和心部硬度的要求,使?jié)L動(dòng)軸承能夠達(dá)到80萬km的使用要求。2017年7月,發(fā)現(xiàn)有一套重載貨車輪對軸承在運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)燃燒情況。經(jīng)檢查,軸承外圈破損,軸承內(nèi)部嚴(yán)重磨損,摩擦發(fā)熱嚴(yán)重,導(dǎo)致油脂燃燒。軸承外圈破損是一種極為嚴(yán)重的軸承失效形式,一般會(huì)伴隨出現(xiàn)軸承密封失效、油脂泄漏、保持架斷裂、軸承異常磨損破碎、卡死,如果處理不當(dāng),可能造成斷軸、翻車等惡性交通事故[2-5]。對輪對軸承裂損故障的原因進(jìn)行分析,采取有效措施消除安全隱患,對于保障鐵路安全運(yùn)行具有重要意義。

2 軸承情況

故障軸承為雙列圓錐滾子軸箱軸承,在使用中與承載鞍的組合結(jié)構(gòu)包括軸承外圈、軸承內(nèi)圈、圓錐滾子、中隔圈、密封、保持架、前蓋、后擋、密封座等。軸承內(nèi)圈和車輛輪軸通過過盈配合連接,軸承承載鞍和車輛轉(zhuǎn)向架相連,直接壓在軸箱軸承外圈上。軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,軸箱軸承輪軸組裝如圖2所示。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)

圖2 軸箱軸承輪軸組裝

軸承現(xiàn)場如圖3所示,軸承外圈形貌如圖4所示,軸承內(nèi)圈形貌如圖5所示,軸承滾子形貌如圖6所示,軸承保持架形貌如圖7所示。軸承外圈外排裂損,滾道產(chǎn)生疲勞,內(nèi)排滾道除存在麻點(diǎn)和附著污物外,無明顯損傷。軸承內(nèi)圈磨損,外排滾子嚴(yán)重磨損變形。軸承密封破損碳化,保持架破碎,潤滑脂碳化。

圖3 軸承現(xiàn)場

圖4 軸承外圈形貌

圖5 軸承內(nèi)圈形貌

圖6 軸承滾子形貌

圖7 軸承保持架形貌

3 理化檢驗(yàn)

對軸承進(jìn)行理化檢驗(yàn),將外圈裂損處的裂紋剖開,觀察斷口形貌,并判斷裂紋源位置。在裂紋源區(qū)域取樣,采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察分析。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對軸承進(jìn)行顯微組織評定,同時(shí)進(jìn)行洛氏硬度和化學(xué)成分檢驗(yàn)。綜合檢驗(yàn)結(jié)果,對軸承的損傷原因進(jìn)行分析。

理化檢驗(yàn)時(shí),化學(xué)成分檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,硬度檢驗(yàn)依據(jù)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)》,非金屬夾雜物檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定--標(biāo)準(zhǔn)評級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,顯微組織檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》。評判標(biāo)準(zhǔn)包括TB/T 2235—2016《鐵道車輛滾動(dòng)軸承》、JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》、JB/T 8881—2011《滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》。

3.1 宏觀檢驗(yàn)

軸承外圈外表面形貌如圖8所示,可以觀察到與軸箱接觸的印痕,其中外排印痕處伴有明顯的裂損特征,區(qū)域周向長度約40 mm,宏觀可見裂紋的最大長度約55 mm,手觸摸有明顯凹陷感。軸承旋轉(zhuǎn)180°后外圈外表面形貌如圖9所示,未見與軸箱接觸的明顯印痕。軸承外圈滾道形貌如圖10所示,存在明顯的剝離掉塊,剝離區(qū)域的周向長度約60 mm,區(qū)域中軸向最長裂紋已占滿外排整個(gè)滾道。軸承外圈滾道放大形貌如圖11所示,剝離區(qū)中可觀察到向滾道面方向擴(kuò)展的疲勞弧線,呈現(xiàn)疲勞損傷特征。除剝離外,外排滾道還可以觀察到明顯的磨損形貌。軸承外圈內(nèi)排滾道形貌如圖12所示,除存在麻點(diǎn)和附著污物外,無明顯損傷。軸承斷口形貌如圖13所示,斷口上可以明顯觀察到自外表面向滾道方向擴(kuò)展的貝紋狀疲勞弧線。由疲勞弧線的擴(kuò)展方向判斷,該損傷處的裂紋源位于軸承外表面。

圖8 軸承外圈外表面形貌

圖9 軸承旋轉(zhuǎn)180°后外圈外表面形貌

圖10 軸承外圈滾道形貌

圖11 軸承外圈外排滾道放大形貌

圖12 軸承外圈內(nèi)排滾道形貌

圖13 軸承斷口形貌

軸承內(nèi)排內(nèi)圈未見明顯損傷,外排內(nèi)圈則損傷嚴(yán)重,滾道和與滾道鄰近的大小擋邊處均存在明顯磨損,擋邊處更可見嚴(yán)重的碾邊特征。軸承內(nèi)排滾子無損傷,外排滾子損傷相對明顯。23粒滾子中有22粒滾子受熱變形嚴(yán)重,均被磨細(xì)壓長,1粒滾子磨損明顯,滾動(dòng)面可見明顯犁溝特征。軸承外排保持架破損、斷裂,部分保持架已熔化,并附著在軸承金屬組件上。綜合以上宏觀檢驗(yàn)可知,損傷主要集中在軸承外排。由外排組件的損傷程度判斷,外圈損傷相對更為嚴(yán)重,外圈首先發(fā)生失效的可能性很大,因此重點(diǎn)對軸承外圈進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

3.2 微觀檢驗(yàn)

采用光學(xué)顯微鏡對軸承外圈裂紋源進(jìn)行金相觀察,裂紋源金相組織如圖14所示。裂紋源金相組織中可以觀察到塑性變形,在塑性變形層中還伴有微裂紋。

圖14 軸承裂紋源金相組織

分別對軸承外排外圈、內(nèi)圈、滾子工作面3 mm區(qū)域內(nèi)的金相組織進(jìn)行觀察,依次如圖15、圖16、圖17所示。

圖15 軸承外排外圈金相組織

圖16 軸承外排內(nèi)圈金相組織

將各金相組織與JB/T 1255—2014、JB/T 8881—2011標(biāo)準(zhǔn)中軸承正常金相組織進(jìn)行對比,軸承外排各組件的金相組織均發(fā)生明顯改變,表明軸承外排受到了較強(qiáng)烈的熱作用。軸承初始金相組織已無法檢驗(yàn)。

依據(jù)GB/T 10561—2005中的A法對軸承外排外圈、內(nèi)圈、滾子非金屬夾雜物進(jìn)行評級(jí),評級(jí)結(jié)果見表1。

軸承外排外圈、內(nèi)圈、滾子的非金屬夾雜物級(jí)別均滿足 TB/T 2235—2016的相關(guān)要求。

3.3 硬度檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 230.1—2009對軸承外排外圈、內(nèi)圈、滾子的硬度進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖17 軸承外排滾子金相組織

表1 軸承非金屬夾雜物評級(jí)結(jié)果

表2 軸承硬度檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,軸承外排各組件受熱嚴(yán)重,已無法依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)評判。

3.4 化學(xué)成分檢驗(yàn)

依據(jù) GB/T 4336—2016對損傷嚴(yán)重的軸承外排外圈化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知,軸承外排外圈的化學(xué)成分滿足TB/T 2235—2016的相關(guān)要求。

由此完成軸承理化檢驗(yàn)。

表3 軸承外排外圈化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

4 故障原因分析

4.1 軸承損傷分析

由目視檢查可知,軸承損傷主要集中于外排,其中外排內(nèi)圈滾道和滾子滾動(dòng)面存在明顯磨損、變形,保持架斷裂、破碎。外排外圈滾道除磨損、變形外,還存在一處明顯剝離掉塊,剝離區(qū)域周向長度約60 mm,寬度幾乎占整個(gè)外排滾道,深度與外圈壁厚相當(dāng)。綜合上述組件的損傷程度判斷,外排外圈首先發(fā)生失效的可能性較大,且外排滾道剝離處先于其余部位失效。

剖開剝離區(qū)域中的裂紋,可觀察到明顯疲勞弧線,由疲勞弧線的走向能夠判斷裂紋源位置。裂紋源位于外圈外表面與軸箱相接觸的印痕處,這一區(qū)域存在明顯塌陷現(xiàn)象。

通過金相分析發(fā)現(xiàn),裂紋源區(qū)的金相中存在較明顯的塑性變形組織,塑性變形層應(yīng)是反復(fù)受軸箱擠壓所致。此外,塑性變形層中還可觀察到與塑性流變方向一致的微裂紋。當(dāng)軸承外圈材料產(chǎn)生塑性變形時(shí),塑性變形累積超過材料的塑性變形極限后,即會(huì)萌生裂紋。裂紋在軸承運(yùn)行載荷及裝配載荷持續(xù)作用下不斷擴(kuò)展,最終引發(fā)外圈宏觀裂損和掉塊。

軸承外排各組件均受到不同程度的熱作用,顯微組織、硬度已發(fā)生明顯改變,無法進(jìn)行對標(biāo)評判。軸承外圈非金屬夾雜物級(jí)別及化學(xué)成分均滿足TB/T 2235—2016標(biāo)準(zhǔn)中對G20CrNi2MoA滲碳軸承鋼的要求。

4.2 軸承偏載分析

軸承存在明顯偏載工況,偏載嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響軸承的工作特性及壽命[6-8]。為了分析偏載是否為導(dǎo)致軸承外圈破損的原因,進(jìn)行偏載和正常載荷下軸承接觸應(yīng)力情況對比分析。軸承為雙列圓錐滾子軸承,在運(yùn)行過程中,受到承載鞍施加的徑向力FV及車輛轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的軸向力FH。貨車輪對平衡力系如圖18所示。圖18中,h為車輛載荷中心與軸頸根部的距離,b1、b2為軸承載荷中心與車輛載荷中心的距離,S1、S2為車輪中心與車輛載荷中心的距離,R為車輪半徑,QH、QV為車輪與軌道接觸的約束力,m為車體質(zhì)量,g為重力加速度,PV、PH分別為軸承在徑向及軸向上的等效載荷。

圖18 貨車輪對平衡力系

軸承正常載荷時(shí)的受力如圖19所示,軸承偏載時(shí)的受力如圖20所示。圖20中,x為軸承的負(fù)載偏距。

4.3 有限元分析

通過對軸承正常受力和偏載時(shí)滾子、滾道與擋邊接觸進(jìn)行有限元分析,得到在正常載荷情況下,兩列滾子的受力情況基本相當(dāng)[9-11]。軸承正常載荷時(shí)受力有限元分析如圖21所示。偏載情況下,一列滾子受力變形明顯大于另一列滾子,受力較小的一列滾子小端在偏載力矩的作用下受力變形相對比較大。軸承偏載時(shí)受力有限元分析如圖22所示。由于外圈滾道直徑大于內(nèi)圈滾道直徑,滾子和外圈滾道接觸面積大于內(nèi)圈,滾子和滾道的最大接觸應(yīng)力位于內(nèi)圈滾道和滾子接觸部位,因此理論上應(yīng)是內(nèi)圈滾道先于外圈發(fā)生疲勞。

圖19 軸承正常載荷時(shí)受力

圖20 軸承偏載時(shí)受力

圖21 軸承正常載荷時(shí)受力有限元分析

圖22 軸承偏載時(shí)受力有限元分析

軸承表面疲勞的特點(diǎn)是淺表層片狀疲勞剝落,疲勞源為最大剪切應(yīng)力處,深度較淺。產(chǎn)生一處疲勞后,剝落會(huì)沿圓周方向向兩邊擴(kuò)展,而不會(huì)在一個(gè)地方一直剝落,表面疲勞一般不會(huì)使套圈裂損。因此推斷,軸承外圈裂損與軸承存在偏載的情況關(guān)系不大。

4.4 分析結(jié)果

通過對軸承裂損故障情況分析,得出分析結(jié)果。

軸承一端嚴(yán)重磨損,另一端正常磨損。嚴(yán)重磨損一端的軸承外圈表面裂損,對應(yīng)裂損處的外圈滾道磨損嚴(yán)重,滾子變形,保持架破碎,密封破損,油脂泄漏到輪軸上。正常磨損的一端,套圈、滾子形狀基本不變,保持架磨損,油脂泄漏到軸承外徑表面。軸承兩端受載狀態(tài)有明顯差異,軸承存在偏載現(xiàn)象。

軸承內(nèi)圈表面有明顯磨損,未出現(xiàn)疲勞情況。表面磨損主要由潤滑失效后干摩擦導(dǎo)致,所以內(nèi)圈磨損是故障產(chǎn)生的結(jié)果,不是引起故障的原因。

軸承外排滾子嚴(yán)重磨損和變形,但無碎裂,內(nèi)排滾子無明顯損傷。滾子磨損和變形主要為潤滑失效后軸承內(nèi)部摩擦加劇,溫度升高,滾子硬度降低,表面磨損增大所致,所以滾子磨損也是故障的結(jié)果。

軸承保持架破碎和潤滑脂碳化基本上可以確定是潤滑失效后高溫、磨損所致,因此也不是引發(fā)故障的原因。

油封破損和潤滑失效會(huì)導(dǎo)致軸承滾子、滾道表面出現(xiàn)干摩擦,滾子、套圈表面異常磨損,但不會(huì)導(dǎo)致外圈裂損,所以油封破損也是故障的結(jié)果。

通過分析,可以確定軸承外圈首先出現(xiàn)表面裂損是軸承失效的主要原因。軸承失效過程為軸承外圈表面裂損,滾道變形,滾子和滾道出現(xiàn)接觸異常,滾子傾斜,內(nèi)部滾動(dòng)變?yōu)榛瑒?dòng),滾子和滾道異常摩擦、磨損,保持架斷裂,軸承內(nèi)部溫度升高,潤滑脂碳化、燃燒,套圈變形,軸承外圈牙口變形,防塵罩約束變松,油封脫出,油脂泄漏。在宏觀檢驗(yàn)結(jié)果中,軸承外圈外排表面與軸箱接觸位置存在明顯的40 mm×55 mm凹陷裂損壓痕,驗(yàn)證軸承外圈外徑受到局部外力沖擊。綜合判斷,軸承裂損的原因是軸箱承載鞍外表面存在局部形狀異常,如焊點(diǎn)、凸點(diǎn)等,造成與軸承外圈外徑面接觸不良,在車輛顛簸的運(yùn)行過程中反復(fù)受到徑向沖擊載荷,最終造成軸承外圈局部疲勞、變形,產(chǎn)生破損。

5 結(jié)束語

筆者對鐵路貨車輪對軸承裂損故障進(jìn)行分析。軸承失效首先發(fā)生在外排滾道剝離掉塊處,呈現(xiàn)疲勞損傷性質(zhì)。疲勞裂紋起源于外圈外表面與軸箱接觸的印痕處,軸承承受偏載,但是偏載并不是導(dǎo)致故障的主要原因。軸承故障的主要原因是軸承外徑面受到軸承上方承載鞍的局部沖擊,在長期循環(huán)作用下,使軸承外徑面接觸點(diǎn)出現(xiàn)局部疲勞破損、變形,破損、變形一方面導(dǎo)致滾動(dòng)體和滾道異常磨損,另一方面導(dǎo)致潤滑脂流失,密封失效,最終導(dǎo)致軸承裂損故障發(fā)生。

軸承的應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程,軸承性能與軸承使用安裝有很大關(guān)系。為了保證軸承的使用壽命,軸承座、軸等零件的加工制造質(zhì)量應(yīng)高度重視。筆者建議,鐵路貨車輪對軸承承載鞍的承載面制造完成后,對承載鞍與軸承接觸的外表面進(jìn)行拋光、打磨等處理,去除制造過程中產(chǎn)生的異物凸起,確保承載鞍與軸承外徑接觸良好。