铁路客车轴承NJ3226早期失效分析

尤绍军

(瓦房店轴承集团有限责任公司 技术中心，辽宁 瓦房店 116300)

铁路客车轴承是保证铁路客车正常运行的关键部件，其在铁路客车运行过程中最易失效，早期失效事故屡有发生，且带来巨大的经济损失甚至安全事故。为提高其可靠性，降低其早期失效事故率始终是铁路客车轴承研究的重要课题。现对铁路客车用NJ3226轴承的早期失效进行分析，以期找到改进办法。

1 早期失效模式统计

铁路客车车轴每端各安装一套NJ3226和NJP3226轴承(图1)，轴承除承受车体全部重量外，还要承受客车运行过程中产生的轴向和径向冲击载荷。

图1 铁路客车轴承在车轴上的装配图

NJ3226和NJP3226轴承于2005年11月至2009年8月间发生的共40例早期失效事故，失效形式全部是滚道早期疲劳剥落。这些轴承实际装车运行时间均不到2年，产生早期疲劳剥落的比例约为0.2%。发生早期失效的轴承主要是NJ3226，占失效轴承总数的96%，内滚道疲劳剥落所占比例为87%，疲劳剥落主要发生在距挡边约8 mm滚道处，如图2所示。外滚道和滚子的早期剥落也主要发生在与内圈对应的滚道部位。早期失效的NJ3226和NJP3226轴承按失效模式的分类统计见表1。

图2 NJ3226内圈滚道早期疲劳剥落照片

表1 铁路客车轴承早期失效分类统计

2 失效分析

早期疲劳剥落主要发生在NJ3226轴承内滚道距挡边约8 mm处，非常有规律，这说明轴承的过早失效有系统因素的作用。而由磨削烧伤和材料缺陷造成的早期疲劳剥落应在滚道上随机分布。对多件NJ3226和NJP3226失效零件进行检验分析，未发现任何磨削烧伤和材料缺陷，故早期失效不是由磨削烧伤和材料缺陷所致。

对早期失效轴承和正常轴承的内、外圈热处理质量进行了检测分析，发现早期失效轴承的热处理质量良好，与正常轴承的热处理质量无明显差别，说明轴承的早期失效不是由热处理质量造成的。

对20多套正常轴承的内圈、外圈和滚子等零件的几何尺寸进行了全面检测，发现NJ3226内圈滚道的素线两端均向下倾斜约1～2 μm(设计为直线)，过渡区正好位于距内圈挡边8～10 mm的滚道处(图3)；滚子素线有过修正的问题，其两端有约8 mm的斜坡(图4)，设计的滚子素线如图5所示。对滚子素线形状进行纠正后，仍没有解决问题，但可以肯定NJ3226轴承滚子和内滚道的素线的加工质量是造成其过早失效的系统因素之一。由于轴承的过早失效率非常低，因此，从上述分析可知，NJ3226轴承的过早失效是由复杂的多因素耦合作用的结果。

图3 NJ3226内圈滚道素线

图4 NJ3226滚子素线

图5 滚子设计的外形尺寸

3 受力分析

车轴的运动受力状态如图6所示。图中F1，F4是车轴受到的径向冲击载荷；F2，F5是铁路客车质量对车轴的压力；F3，F6是铁路客车车轮对车轴的支持力；F7是轴向冲击载荷。F2，F5分别与F3，F6平衡；M1，M2是F2与F3和F5与F6由于作用点不同而产生的附加力矩，使车轴产生一定的挠曲变形，如图7所示。轴向和径向冲击载荷是变化载荷，其值受路况、客车载质量和运行速度等影响。F1，F2，F4，F5通过安装在车轴端的NJ3226和NJP3226轴承传递给车轴。

图6 车轴的运动受力状态

图7 车轴的挠曲变形

不考虑铁路客车车轴的挠曲变形时，F1，F2，F4，F5在轴承NJ3226和NJP3226内部产生的应力分布如图8所示(这里仅分析了内圈的应力分布，外圈和滚子的应力分布与此对称)。

图8 内圈应力分布状态

图9 车轴挠曲变形引起的轴承内部应力集中

图10 滚子的受力状态

此外，多数用户在安装时，一般选择NJ3226的内圈滚道直径比NJP3226的内圈滚道直径大0.005 mm，以便增加NJ3226内圈的受力，减小轴颈的挠曲变形。任何接触应力的增加，都可能导致轴承疲劳寿命的急剧降低[1]。因此，这个措施也是造成铁路客车轴承早期疲劳剥落主要发生在NJ3226轴承上的因素之一。

4 结果与分析

铁路客车轴承发生早期疲劳剥落的比例约为0.2%，这说明，在轴承运行状态正常的情况下，虽然有导致NJ3226轴承过早失效的系统因素存在，但这些系统因素不足以导致轴承产生早期疲劳剥落，而是其与另外一个或几个偶然因素叠加导致了极小比例的铁路客车轴承的早期疲劳失效。这些偶然因素分为以下两种类型。(1)轴承各零件加工尺寸的离散性。例如，NJP3226，NJ3226轴承径向游隙为0.12～0.17 mm，如果配对使用的NJP3226，NJ3226一对轴承中，NJP3226轴承径向游隙较大，而NJ3226轴承的径向游隙较小，必然导致NJ3226轴承承受的载荷增加，NJP3226轴承承受的载荷减小。(2)轴承的材料、热处理、磨削烧伤等质量缺陷。例如材料内部的细小夹杂物、轻微的网状和带状碳化物、局部轻微的脱贫碳和局部轻微的烧伤等。这些质量缺陷会导致NJ3226内圈滚道疲劳强度降低。

5 改进措施及效果

(1)严格控制NJ3226，NJP3226轴承的径向游隙，防止配对轴承由于径向游隙偏差导致NJ3226承受的载荷进一步增加，提高载荷在NJ3226， NJP3226轴承之间分布的均匀性。

(2) 在组配安装轴承时，不应使NJ3226轴承内圈滚道直径比NJP3226轴承内圈滚道直径大0.005 mm。

(3)严格控制NJ3226内圈滚道的倾斜度在公差之内，该倾斜度从挡边到小端面应由低到高。

(4)杜绝NJ3226轴承内圈滚道素线两端向下倾斜。

(5)严格按图纸加工滚子素线形状，防止滚子素线的过修正。

(6)减小轴承内圈、外圈和滚子等零件尺寸公差和形位公差的离散性。

通过对轴承生产和安装的严格控制，NJ3226和NJP3226轴承早期失效事故率降低了60%。

6 结束语

通过对NJ3226铁路客车轴承早期失效案例的分析，认为该轴承极小比例的早期失效是轴承滚子和内滚道素线的加工质量及铁路客车车轴的挠曲变形这些系统因素与轴承各零件加工尺寸的离散性和轴承的材料、热处理、磨削烧伤等质量缺陷这些偶然因素叠加耦合造成的。通过对轴承生产和安装的严格控制，可以有效地提高铁路客车轴承的可靠性。