貨車26型軸承典型故障臺(tái)架試驗(yàn)研究

劉 青 山，刁 克 軍，趙 雷

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

軸承作為車輛運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其運(yùn)用質(zhì)量影響著車輛的運(yùn)行安全。近年來，隨著鐵路貨車新技術(shù)、新裝備的逐步推廣使用，貨車車輛的運(yùn)行品質(zhì)日益提高。但因軸承造修質(zhì)量及車輛運(yùn)行狀態(tài)受低溫、環(huán)境腐蝕、風(fēng)沙侵害等影響，使鐵路貨車車輛軸承熱軸故障仍時(shí)有發(fā)生，給車輛安全運(yùn)行帶來隱患，對運(yùn)輸生產(chǎn)秩序造成干擾。

本文將針對60 t級(jí)貨車裝用的26型新造軸承、出現(xiàn)典型故障的軸承進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對軸承在不同試驗(yàn)速度、不同試驗(yàn)載荷及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間下的溫度(溫升)變化規(guī)律進(jìn)行研究分析，以期為貨車26型軸承熱軸故障分析及探明軸承失效機(jī)理，改善鐵路貨車軸承的使用狀況，提高鐵路貨車運(yùn)營安全性提供參考。

1 典型故障軸承統(tǒng)計(jì)

我國鐵路貨車軸承傷損類型大致可分為以下七大類二十小類[1-3]，分別是①剝離、碾皮及麻點(diǎn)；②裂損；③劃傷、擦傷、拉傷及磕碰傷；④腐蝕(銹蝕)、電蝕及微動(dòng)磨蝕；⑤磨削燒傷、磨痕及滾道面粗糙；⑥變色、燒附；⑦其他：磨損、表面接觸不良、凹痕及壓痕等。對近年來我國鐵路貨車在運(yùn)用中出現(xiàn)的熱軸定責(zé)故障軸承類型及數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，并選取其中較為突出和典型的故障軸承類型進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，對其傷損原因和機(jī)理進(jìn)行分析。

表1 軸承故障類型及數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2 試驗(yàn)概況

2.1 軸承結(jié)構(gòu)及軸承試驗(yàn)臺(tái)

26型軸承結(jié)構(gòu)見圖1。軸承臺(tái)架試驗(yàn)在中車青島四方車輛研究所有限公司的軸承性能與壽命試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，軸承性能與壽命試驗(yàn)臺(tái)見圖2。

圖1 26型軸承示意圖

圖2 軸承性能與壽命試驗(yàn)臺(tái)

2.2 試驗(yàn)軸承

選取3種類型的26型軸承進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)：第1種為新造軸承，第2種為預(yù)制故障軸承(故障為注脂量超差、保持架裂損)，第3種為運(yùn)用故障軸承(故障為滾子環(huán)形條紋、內(nèi)圈擋邊角度超差、滾道剝離)。試驗(yàn)軸承狀態(tài)見表2，故障軸承示意圖見圖3、圖4。

表2 試驗(yàn)軸承狀態(tài)

圖3 保持架故障

圖4 外圈滾道剝離

2.3 試驗(yàn)

試驗(yàn)載荷按照TB/T 3017.1—2016《機(jī)車車輛軸承臺(tái)架試驗(yàn)方法 第1部分：軸箱滾動(dòng)軸承》進(jìn)行計(jì)算。垂向載荷恒定施加，橫向載荷雙向脈動(dòng)施加。按照推力從0加載到最高值(0.2 s)→保持最高推力值(4.6 s)→推力卸載到0(0.2 s)→零載荷保持5 s→拉力從0加載到最高值(0.2 s)→保持最高拉力值(4.6 s)→拉力卸載到0(0.2 s)→零載荷保持5 s的周期循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。每次循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間為8 h，首先順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)3 h 50 min，停機(jī)10 min，再逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)3 h 50 min，停機(jī)10 min。

試驗(yàn)分為2個(gè)階段：變速試驗(yàn)階段和強(qiáng)化試驗(yàn)階段。變速試驗(yàn)階段考察軸承在不同速度等級(jí)下的溫度和溫升狀態(tài)；強(qiáng)化試驗(yàn)階段通過增大橫向載荷，考察軸承在不同橫向載荷條件下的溫度和溫升狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 新造軸承試驗(yàn)結(jié)果及分析

新造軸承進(jìn)行了7次循環(huán)試驗(yàn)，變速試驗(yàn)階段取80 km/h、100 km/h、120 km/h 3個(gè)速度等級(jí)，每個(gè)速度等級(jí)下進(jìn)行2次循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)工況分別為1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2；強(qiáng)化試驗(yàn)階段進(jìn)行第7次循環(huán)試驗(yàn)，速度為100 km/h，橫向載荷為31.47 kN(試驗(yàn)工況為4-1)。新造軸承在不同試驗(yàn)工況下的最高溫度曲線見圖5。由圖5可知，在不同速度等級(jí)下，軸承試驗(yàn)溫度隨試驗(yàn)速度的增加而逐漸升高，在同一速度等級(jí)下，軸承試驗(yàn)溫度隨試驗(yàn)時(shí)間的增加而逐漸降低。

圖5 新造軸承最高溫度曲線圖

3.2 注脂量超差軸承試驗(yàn)結(jié)果及分析

軸承潤滑脂具有減少摩擦磨損、防銹、減緩沖擊力的作用。潤滑脂的填充量對軸承的壽命也有一定的影響，而過多的潤滑脂填充量雖可以延長潤滑周期，但容易產(chǎn)生攪拌熱，引起潤滑脂性能的劣化和流失。在試驗(yàn)工況與3.1節(jié)相同的情況下，將注脂量超差軸承與新造軸承的試驗(yàn)溫度進(jìn)行對比，分析注脂量對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的影響。由不同注脂量軸承最高溫度柱狀圖(圖6)可知，在運(yùn)轉(zhuǎn)初期，注脂量500 g(高于上限)的軸承的試驗(yàn)溫度明顯高于注脂量320 g(低于下限)和注脂量正常的軸承的試驗(yàn)溫度，因此認(rèn)為其與攪拌熱有關(guān)。在工況4-1下2套注脂量超差軸承與新造軸承的試驗(yàn)溫度差異變小。

圖6 不同注脂量軸承最高溫度柱狀圖

分析認(rèn)為，軸承注脂量超差會(huì)對軸承初期運(yùn)轉(zhuǎn)溫度產(chǎn)生影響，但運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，軸承注脂量超差對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度產(chǎn)生的影響基本消除。

3.3 保持架裂損軸承試驗(yàn)結(jié)果及分析

沖擊負(fù)荷過大、潤滑不良、卡入異物及安裝不當(dāng)易造成保持架的窗孔及端梁出現(xiàn)變形、磨損甚至斷裂現(xiàn)象。試驗(yàn)選取2套保持架裂損故障軸承，試驗(yàn)工況同3.1節(jié)。保持架裂損軸承最高溫度曲線見圖7。由圖7可知，在不同試驗(yàn)工況下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和溫升正常。試驗(yàn)后軸承內(nèi)圈狀態(tài)如圖8所示，軸承內(nèi)圈、滾子和保持架在試驗(yàn)前后沒有明顯變化。

圖7 保持架裂損軸承最高溫度曲線圖

圖8 試驗(yàn)后軸承內(nèi)圈狀態(tài)

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，保持架雖存在裂損但沒有破碎，若能維持軸承的滾子處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)對軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和溫升產(chǎn)生明顯的影響。

3.4 滾子環(huán)形條紋軸承試驗(yàn)結(jié)果及分析

潤滑不良、異物侵入易造成軸承內(nèi)外圈滾道面和滾子滾動(dòng)面上呈現(xiàn)規(guī)則的周向環(huán)形條紋。試驗(yàn)選取2套運(yùn)用中滾子環(huán)形條紋深度≤0.025 mm的軸承進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，速度為120 km/h，共進(jìn)行了23次循環(huán)。由滾子環(huán)形條紋最高溫度曲線(圖9)可知，滾子環(huán)形條紋對軸承試驗(yàn)溫度的影響不明顯。

圖9 滾子環(huán)形條紋最高溫度曲線圖

分析認(rèn)為，滾子環(huán)形條紋深度≤0.025 mm對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。這與鐵總運(yùn)[2016]191號(hào)文《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)則》[4]的規(guī)定吻合，即內(nèi)外圈滾道面和滾子滾動(dòng)面環(huán)形條紋深度≤0.025 mm，條數(shù)不大于4條，缺陷類別為A。A類缺陷對軸承性能和使用安全性沒有影響，修復(fù)與否均可使用。

3.5 內(nèi)圈擋邊角度超差軸承試驗(yàn)結(jié)果及分析

軸承設(shè)計(jì)時(shí)，滾子球基面與內(nèi)圈擋邊在中部接觸(圖10)，這樣可有效形成流體潤滑油膜，改善滾子球基面與擋邊之間的潤滑狀態(tài)，降低摩擦及運(yùn)轉(zhuǎn)溫升，從而提高軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。試驗(yàn)選取1套內(nèi)圈擋邊角度超差運(yùn)用故障軸承，試驗(yàn)速度分別為60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時(shí)對應(yīng)的工況分別為1-1、2-1、3-1、4-1，試驗(yàn)速度為100 km/h、橫向載荷為31.47 kN時(shí)對應(yīng)的工況為5-1。根據(jù)內(nèi)圈擋邊角度超差軸承與正常運(yùn)用軸承溫度對比柱狀圖(圖11)可知，內(nèi)圈擋邊角度超差軸承在不同速度級(jí)別、不同橫向載荷條件下試驗(yàn)溫度均較高。

圖11 內(nèi)圈擋邊角度超差軸承與新造軸承溫度比對柱狀圖

分析認(rèn)為，由于滾子引導(dǎo)面與滾子球基面不匹配，在軸向力作用下造成油膜破壞、潤滑不良，導(dǎo)致內(nèi)圈擋邊角度超差軸承試驗(yàn)溫度偏高。

3.6 滾道剝離軸承試驗(yàn)結(jié)果及分析

軸承鋼中存在夾雜物、軸承負(fù)荷過大、安裝不良、游隙過小及異常高溫易造成滾道面剝離，試驗(yàn)分別選取1套內(nèi)圈滾道小面積剝離軸承 (重新清洗注脂組裝)、1套外圈滾道大面積剝離并且油脂變質(zhì)未清洗的軸承進(jìn)行試驗(yàn)。其中，內(nèi)圈滾道小面積剝離軸承試驗(yàn)速度為120 km/h 時(shí)進(jìn)行了1次循環(huán)試驗(yàn)，速度為132 km/h 時(shí)進(jìn)行了6次循環(huán)試驗(yàn)，工況分別為：1-1、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。外圈滾道大面積剝離軸承試驗(yàn)速度為60 km/h時(shí)進(jìn)行了1次循環(huán)試驗(yàn)，速度為120 km/h時(shí)進(jìn)行了7次循環(huán)試驗(yàn)，工況分別為1-1、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖12 內(nèi)圈滾道小面積剝離軸承最高溫度曲線圖

圖13 外圈滾道大面積剝離軸承最高溫度曲線圖

3.6.1 內(nèi)圈滾道小面積剝離軸承

由圖12可知，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和溫升較正常，剝離部位在試驗(yàn)前后沒有明顯變化。

北美鐵道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(AAR HⅡ分冊《滾子軸承手冊》)對內(nèi)外圈滾道剝離修理做了如下規(guī)定：(1)剝離必須修理后才能投入使用；(2)剝離尺寸(任一邊長)不大于in(9.525 mm)×in深(3.175 mm)可以修理；(3)滾道上2 in圓周長度(50.8 mm)不超過2處；(4)滾道上2處剝離間隔小于in(4.763 mm)；(5)滾道上修理的總數(shù)不超過6處。與北美鐵道協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)允許修理的剝離限度比較，該軸承剝離尺寸在規(guī)定范圍內(nèi)，且經(jīng)過重新清洗注脂，在試驗(yàn)期間，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和溫升沒有出現(xiàn)問題也是正常的。

3.6.2 外圈滾道大面積剝離并且油脂變質(zhì)軸承

由圖13可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，溫度一直上升直到軸承卡死。從試驗(yàn)后軸承外觀(圖14)可以看出：軸承密封罩外表面存在許多內(nèi)部泄漏的油灰，導(dǎo)致軸承不能轉(zhuǎn)動(dòng)；車軸軸頸處存在深度約1 mm的圓周磨耗，說明軸承內(nèi)圈與車軸已產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖14 試驗(yàn)后軸承外觀

4 結(jié)論與建議

通過對注脂量超差、滾子環(huán)形條紋(深度≤0.025 mm)、內(nèi)圈擋邊角度超差、保持架裂損和滾道剝離的軸承進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)分析可知：

(1) 注脂量超差、滾子環(huán)形條紋(深度≤0.025 mm)、保持架裂損(仍可維持滾子處于正常運(yùn)轉(zhuǎn))等故障在試驗(yàn)初期不會(huì)影響軸承的運(yùn)用。

(2) 內(nèi)圈擋邊角度超差時(shí)，軸承內(nèi)部的滾動(dòng)接觸條件被破壞會(huì)使內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)溫度急劇升高，影響軸承的運(yùn)用。

(3) 軸承滾道存在小面積剝離時(shí)，經(jīng)重新清洗注脂組裝后仍可運(yùn)行，不會(huì)對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度產(chǎn)生明顯的影響；軸承滾道存在大面積剝離將造成卡滯，若強(qiáng)制運(yùn)行，可能會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生熱軸、燃軸事故。

雖然有些故障在運(yùn)用初期不會(huì)對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度產(chǎn)生明顯的影響，但長期運(yùn)用仍會(huì)帶來壽命降低或影響行車安全的風(fēng)險(xiǎn)。因此軸承造修單位應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，保證軸承的造修質(zhì)量。