貨車轉向架滾動軸承剝離的原因分析及建議
2013-03-15
隨著鐵路運輸業的發展，貨物列車提速重載增加了軸承負載量，導致軸承故障增加，缺陷程度日趨嚴重，危及行車安全。因此，提高軸承質量成為亟待解決的問題。
1 問題的提出
剝離是貨車滾動軸承Z主要的故障現象。為提高貨車轉向架滾動軸承運行質量，非常有必要分析剝離形成的原因，制定相應的改進措施。
2 原因分析
2.1 軸承存在質量缺陷
2.1.1 熱處理不當
滾動軸承的外圈、內圈表面硬度較高，它承載能力強、變形較小，不易出現剝離現象。但在制造過程中，加熱不足、冷卻不良、淬火處理不到位等原因就會造成軸承內圈、外圈表面硬度不均勻，使其表面的耐磨性和疲勞強度不一致，這種情況下易造成剝離現象。
2.1.2 軸承存在表面缺陷
軸承的內圈、外圈、滾子存在表面缺陷，例如表面存在夾渣、氣泡，特別是表層較淺部位的氣泡，在軸承承受載荷運轉過程中，氣泡呈增大趨勢，突破表層時就形成凹坑。如果存在夾渣，在滾道較深處易出現疲勞失效的現象，這種夾渣處也是疲勞失效的主要部位，易造成應力集中，在長期的接觸應力作用下，出現剝離現象。
2.1.3 加工精度不合格
軸承內圈、外圈、滾子表面加工精度未達到工藝標準，會出現應力集中，易出現早期剝離現象。
2.2 超載、偏載
貨車滾動軸承一般為圓錐滾子軸承，滾子與軸向有一個角度，即使受到純徑向載荷作用時，也會產生軸向力。當列車在超載與偏載的情況下，軸承所承受的徑向負荷過大，滾子、外圈都受到脈動循環作用力，同時，也承受過大的軸向力，軸承滾動體和內、外圈滾道面上均承受周期性載荷的作用，從而產生周期變化的接觸應力，當應力達到一定程度的時候，在滾動體或內、外圈滾道的表層產生塑性變形，Z后在工作表面出現細微的裂紋，直至形成麻點剝落。
2.3 潤滑不良
潤滑脂可以在滾動表面形成強度較高的動壓膜，能承受較大的載荷，而且能起到密封作用。一般軸承注油量是在能保證充分潤滑的前提下較少為宜。適量的注油可以減少摩擦、延長疲勞壽命、排出摩擦熱，也能防止雜質進入軸承。如果注脂量過少，就會造成缺脂或干摩擦，使內圈、外圈、滾子之間產生過度磨損，軸承溫度升高；注脂量過多時，潤滑脂填滿所有縫隙，軸承的散熱效果差，也會使軸承溫度升高。如果潤滑脂長期處于高溫狀態，潤滑脂變稀，破壞動壓油膜，經過高速重載運行后，加速軸承零件材質變化，硬度下降，易造成剝離。潤滑脂的主要性能指標是錐入度與滴點，如果潤滑脂的錐入度比規定要求的值小，那么潤滑脂承受極壓的能力就小，這樣就會造成滾道與滾子的過度磨損；如果潤滑脂的滴點比規定要求的值小，就易造成潤滑脂變稀，油膜強度變小，易造成甩油及滾道與滾子的過度磨損，這2種情況都易造成軸承剝離。
2.4 軸向游隙不符合規定
軸向游隙的大小對軸承的疲勞壽命、溫升等都有很大影響，在工藝條件與運行條件允許的情況下，游隙應接近下限。如軸向游隙過小，當列車通過彎道時，滾子與外圈、滾子與保持架受力不均勻，在軸承有限滾道區域內進行擠壓，使零件承受過大的載荷作用，造成發熱、剝離。
2.5 踏面剝離、擦傷
列車在運行過程中，如果輪對踏面剝離、擦傷超過規定限度時，車輪的形狀發生變化，正常運動軌跡也發生變化，車輪上本來的弧面變成了平面。當缺陷處與鋼軌接觸時，車輪軸心向下急落，之后隨著車輪的轉動，缺陷與鋼軌分離時，車輪軸心又急劇向上運動，這個過程當中車輪在豎直方向上的動量會在極短的時間內發生巨大的變化，產生巨大的沖量，使內圈與滾子、外圈與滾子之間承受很大的循環脈動載荷作用。
例如車輪所受沖量為S，則S=mvl/r，其中r為輪對滾動圓半徑，l為缺陷的長度，m為車輪質量，v為列車運行速度。同時S＝Ft，即F＝S/t，F為沖擊力，t為時間，其值很小，變化也不大。當車輪踏面產生擦傷、剝離時，l越大，沖量S越大，沖擊力F也就越大。由于滾子的硬度比滾道大，應力集中就直接作用在滾道上，長時間承受過大的負荷，就會使接觸疲勞加劇。
2.6 保持架裂損、電蝕
常用的塑鋼保持架材質強度低，受力結構尺寸小，或棱角處應力集中，極易在大端面與橫梁相交處造成裂損。裂損后滾子將失去定位支撐，運行中就會造成滾子間相互碰撞磨損，產生高溫，長時間高速運行易造成剝離。當電流通過軸承時，內圈與外圈間存在電壓差，電流擊穿油膜放電，造成滾動面局部熔融或凹凸現象。電蝕部位金屬材質發生變化，硬度降低，且易產生應力集中，長時間運行將造成剝離。
2.7 其他原因
軸承前蓋后擋松動、密封罩松動、油封破損松動，都會造成水和雜質進入滾動區域，滾道、滾子表面易出現銹蝕，工作表面的粗糙度下降，造成銹蝕部位的應力集中，造成剝離現象。
3 建議
（1）提高軸承熱處理工藝、滲碳工藝質量，使工作表面各種成分分布均勻；內、外圈滾道表面的硬度要匹配。對軸承鋼強度進行檢測，避免鋼材中出現非金屬夾雜物，減少應力集中。保持架在沖壓成型過程中，在窗梁間存在殘余拉應力時進行回火處理，消除窗梁拐角處應力集中。
（2）對新采購的軸承Ⅳ型潤滑脂進行錐入度、水分、鋼網分油、滴點、相似粘度、雜質含量等性能指標的檢驗，特別是錐入度與滴點必須符合工藝標準的要求。嚴格控制軸承的注油量、勻脂工藝。
（3）改進軸承注油裝置的動力部分，因為大部分注油機的動力部分是由風壓控制，軸承在組裝后注油時，如果油水分離器作用不良，風壓本身存在的水汽會隨油脂一起注入到軸承中。另外，軸承在組裝以前須進行清洗、烘干或脫水處理，如果烘干不徹底，也會造成軸承脂混水。
（4）加大120閥的改造力度，實現列車制動波速基本一致，以免出現輪軌間的滑動而造成踏面擦傷，從而產生過大的沖擊力。
（5）車輛檢修電焊作業時，應接專用地線，否則可能造成軸承通過電流，使軸承零部件產生電蝕。
（6）軸承探傷后，各部件須進行剩磁檢測。如果剩磁超標，會影響檢測儀器靈敏度，也會吸附鐵屑或鐵磁性粉末，進入軸承滾動區就會造成軸承磨損。軸承剝離按照故障性質屬于疲勞型，形成的主要原因是材質疲勞、加工工藝不當、超偏載、較大的沖擊力等。不斷提高滾動軸承的制造工藝、檢修質量、組裝質量及故障診斷手段，是解決問題的關鍵所在。
