高速動車組軸箱軸承滾動體表面異常磨損原因分析

韓慶利,劉超,張曉排,王勇,唐凱強，張偉

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；3.舍弗勒貿易(上海)有限公司，上海 201804)

在高速動車組中，軸箱軸承是走行部的關鍵零部件之一，它的運行性能直接影響列車運行安全[1].裝用圓錐滾子軸箱軸承的某高速動車組，于2008年8月在高鐵京津線首次運營，接著2009年12月和2011年在高鐵武廣線、高鐵京滬線上也相繼投入使用.國內高速鐵路具有長交路、高速度、多橋隧等特點[2]，使得我國軸箱軸承在運用中遇到一些新問題.高速動車組采用的圓錐滾子軸箱軸承，不僅承受較大的徑向載荷，還要承受一定的軸向載荷，是較容易損壞的部件[3].當前國內高速動車組最高運營速度為350 km/h，后續會有400 km/h的列車投入運行[4].速度的提高除了導致轉向架振動、車輪不圓、軸箱磨損加劇外，更惡化了軸箱軸承的受力及潤滑情況，降低了軸承的使用壽命[5].

高速動車組軸箱軸承的運行特點及壽命受內部因素(如鋼材、加工精度和潤滑脂等)及外部因素(如運行線路質量、車輛速度、部件安裝及維護的狀態、季節溫度等)影響[6].軸箱軸承既要不斷改善設計、提升質量，也需要用戶及軸承供應商共同努力，提升車輛軸箱軸承與相鄰零部件之間的結構性能，實現高速鐵路高可靠性和低綜合成本的目標.

軸箱軸承在高速動車組上完成一個高級修的運用后，將進入檢修流程.主機廠聯合軸承供應商統計相關報廢軸承的失效信息，滾動體表面異常磨損是主要共性問題之一，本文對此進行深入分析，以期能夠為我國高速動車組更好發展、運用、維護提供有益幫助.

1 軸承滾動體磨損異常

軸承供應商檢修工廠在某段時間內對某高鐵軸承檢修時，發現多批次軸箱軸承滾動體大端面異常磨損，與其他批次相比，檢修合格率較低，滾動體大端面正常磨損和典型異常磨損見圖1.

(a) 正常磨損

圖1(a)為滾動體大端面正常磨損，各部位磨損均勻；圖1(b)除正常運轉痕跡外，有形似粘著磨損的區域(白色片狀區域)，為異常磨損.

2 原因分析

2.1 滾動體大端面與內圈大擋邊基本摩擦理論

圓錐滾子軸承內部載荷分布及單個滾子受力如圖2所示[7-8].

圖2 圓錐滾子軸承內部載荷分布及滾子受力分析

圖2中Qo為外圈滾道徑向載荷，Qi為內圈滾道徑向載荷，Qf為內圈滾道擋邊載荷，αo為外圈滾道徑向載荷與豎直中心線的夾角，αi為內圈滾道徑向載荷與豎直中心線的夾角，αf為內圈滾道擋邊載荷與豎直中心線的夾角，Fc為滾子離心力.圓錐滾子軸承在正常運轉過程中，滾動體大端面與內圈擋邊之間存在載荷Qf，會出現圖1(a)所示的運轉痕跡.因此，在對滾動體大端面異常磨損情況進行故障樹分析時，需要考慮載荷對端面異常磨損的影響.

2.2 故障樹

針對該批軸箱軸承滾動體大端面異常磨損，建立其故障樹，從內、外兩個方面分析，列出可能導致滾動體大端面異常磨損的原因，故障樹如圖3.

圖3 滾動體大端面異常磨損故障樹

內部原因：①軸承零部件在組裝過程中有異常載荷作用于滾動體大端面；②軸承零部件在加工過程中，存在端面異常磨削燒傷.

外部原因：①軸箱軸承在裝配完成后的運輸過程中或轉向架上組裝完成后對組裝好的構架或車體進行流轉過程中，有異常載荷作用于滾動體大端面；②軸箱軸承在轉向架安裝的過程中，有異常載荷作用于滾動體大端面；③軸箱軸承隨車正常運用中，受到沖擊或電蝕.

2.3 內部原因

2.3.1 軸承組裝

該軸箱軸承檢修工藝過程如圖4所示，無異常載荷作用到滾動體大端面.對組裝好的整套軸箱軸承進行自由跌落試驗，目視檢查滾動體大端面，未發現明顯表面缺陷.

圖4 軸承檢修作業流程

2.3.2 軸承端面磨削

在失效軸承滾動體中，隨機選出大端面異常磨損的樣本.采用蔡司SIGMA 300掃描電子顯微鏡，利用聚焦極窄的高能電子束掃描樣本表層材料，顯示材料微觀組織結構特征，觀察缺陷形貌特征及表面狀態，典型檢查結果見圖5.

圖5是圖1白色框線區域內滾動體大端面表面酸洗后的100倍放大圖，白色區為滾動體大端面二次硬化區，為分散的白色小塊，不同于磨削燒傷的深色連續片狀形貌[9]，表明滾動體大端面在軸承生產加工過程中不存在磨削燒傷缺陷.

圖5 滾動體大端面異常磨損局部放大圖

2.4 外部原因

2.4.1 軸承組裝完成后運輸

單獨發運售后備品輪對，并對該輪對上的四套軸承分解檢查，軸承狀態完好，無異常壓痕.

運輸組裝好的轉向架(未落車)分解檢查，發現有部分軸承失效，失效軸承內圈滾道出現徑向線狀磨損，軸承內圈大擋邊和滾動體大端面存在壓痕，兩者壓痕形態在外觀上對應，如圖6所示.

(a)滾道表面線狀磨損

圖6(a)中數字1和2分別對應滾道表面的兩個線狀磨損，兩個白色箭頭對應大擋邊磨損位置，內圈滾道表面線狀磨損痕跡與大擋邊表面損傷位置對應，判定內圈滾道表面線狀磨損痕跡和大擋邊表面損傷相關.

滾道表面線狀磨損和大擋邊表面局部損傷間距相等(數字1、2間距和兩白箭頭間距相等)，判定該部位初始損傷是在軸承靜止時刻產生的.

圖6(b)和6(c)中，大擋邊表面、滾動體大端面損傷形狀相同，判定兩者損傷同時產生.

綜合以上分析，轉向架運輸中可能有異常沖擊或振動作用于軸承上，軸承內圈滾道和滾子間出現沖擊或振動，使得滾子大端面、滾道徑向、滾道大擋邊對應位置產生了磨痕.

2.4.2 軸承壓裝及運用

在軸承安裝記錄文件“軸承壓裝尺寸測量記錄”、“軸承壓裝曲線及參數記錄”中，未發現軸承壓裝時存在異常.

用蔡司Axio Vert. A1金相顯微觀察軸承內圈滾道線狀磨損及附近區域樣件(采用砂輪切割機和線切割機取樣)和滾動體線狀磨損區域，如圖7和圖8所示.

圖7 線狀痕跡區域材料表層

圖7中，內圈滾道線狀磨損區域材料表層無明顯組織變化、無跡象表明其上有電流或電壓通過，初步排除“電蝕”.

圖8(a)為帶線狀磨痕的滾動體，正常運行痕跡沿滾動體周向分布，而線狀磨痕沿徑向分布；圖8(b)更清晰地顯示出周向運行痕跡和異常軸向磨痕，且軸向磨痕在周向運行痕跡之上.因此，該壓痕在運用之前即產生，應為軸承組裝后靜止沖擊造成的.

圖8 滾動體線狀磨損及微觀放大圖

3 安全性分析

分別選取有嚴重端面壓痕的三套軸承(1#、2#和3#)進行溫度跑合試驗1和試驗2，試驗1結束后檢查軸承，重新組裝后按正常軸承檢修要求加注新潤滑脂，進行試驗2，試驗方案如表1.

表1 軸承溫度跑合試驗方案

圖9給出軸承溫度曲線，圖9(a)中曲線A為1#承載區絕對溫度；B為2#承載區絕對溫度；C為1#非承載區絕對溫度；D為2#非承載區絕對溫度；E為1#兩側承載區溫差；F為2#兩側承載區溫差.圖9(b)中曲線A為1#承載區絕對溫度；B為3#承載區絕對溫度；C為1#非承載區絕對溫度；D為3#非承載區絕對溫度；E為1#兩側承載區溫差；F為3#兩側承載區溫差.圖10為軸承跑和前、后滾子大端壓痕對比.

(a) 試驗1軸承溫度曲線

圖9中T_fail_A是承載區報警溫度100 ℃，T_warn_A為承載區預警溫度90 ℃，T_fail_B為目標區報警溫度80 ℃，T_warn_B為目標區預警溫度70 ℃，T_threshhold_C_D為閾值溫度50 ℃，deltaT_warn_C_D為溫差預警(左、右軸承溫度差)20 ℃.從圖中可以看出，試驗1中，跑和之初1#軸承承載區絕對溫度接近90 ℃，隨著試驗循環次數遞增，潤滑脂攪拌均勻，溫度逐漸下降，在循環次數40之后穩定在65 ℃左右，比承載區預警溫度低25 ℃；2#軸承承載區溫度，穩定在68 ℃左右，比承載區預警溫度低22 ℃.左、右軸承非承載區溫度均比閾值溫度50 ℃低，穩定在40 ℃左右.左、右軸承承載區溫度均比閾值溫度50 ℃高，比較兩者溫差，在前10次循環時，溫差在20 ℃左右，隨循環次數增加，溫差逐漸減小，在循環次數40以后，溫差穩定在5 ℃；左、右軸承非承載區溫差，一直穩定在5 ℃左右，未超過10 ℃.

試驗2中，1#軸承承載區最初溫度為78 ℃，隨循環次數增加溫度逐漸降低，在10次之后溫度穩定在68 ℃左右，比承載區預警溫度低22 ℃.3#軸承承載區溫度一直穩定在70 ℃左右，比承載區預警溫度低20 ℃.左、右軸承非承載區溫度均低于閾值溫度50 ℃，穩定在40 ℃左右.左、右軸承承載區溫度均比閾值溫度50 ℃高，二者溫差，試驗之初為10 ℃，隨著循環次數增加，溫差逐漸減小，在循環次數10以后，溫差穩定在5 ℃；左右軸承非承載區溫差一直穩定在5 ℃左右，未超過10 ℃.

圖10中，跑和試驗前、后滾子大端壓痕形貌與深度并無變化，壓痕未擴展，對車輛短期運用無影響.車輛實際運用時，應通過遠程監控實時關注軸承溫度，掌握各軸承運用狀態；路局應定期對動車組進行TADS檢測，準確掌握軸承是否運用失效[11].目視檢查，排查磨損軸承，保證每套軸承在高速運轉工況的運用質量.

(a) 試驗前

4 結論

針對報廢軸承中的滾動體大端表面異常磨損，依據滾動體大端面和內圈大擋邊摩擦理論，分析了滾動體大端面受力情況，建立了故障樹.通過目測、試驗和表面檢測等手段，從五個方面分析了磨損的原因，并對磨損軸承的安全性進行了試驗和分析.研究發現：

(1)軸承滾道表面以及滾動體外徑表面線狀磨損痕跡，是由于軸承安裝運輸時，軸承受到持續振動或瞬時沖擊造成的；

(2)軸承受到異常沖擊時，軸承內圈大擋邊表面以及滾動體大端面表面會留下微小的傷痕.在運用中，若潤滑條件變差，該傷痕會擴大，形成局部異常磨損；

(3)短期內該異常磨損不會影響車輛運營，但運用中應實時關注軸承溫度.TADS檢測中應準確掌握軸承是否運用失效，檢修時應密切排查磨損軸承，保證軸承在高速運轉工況下的運用質量.