高速动车组轴箱轴承保持架磨损原因分析

范军，韩庆利，刘超，刘闯

（中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062）

轴箱轴承是轨道列车转向架的重要零部件之一[1－4]，其主要作用为承载列车质量和实现轮对高速运转。某轴箱轴承使用过程中发生多起温升预警故障，有必要对温升预警轴承故障原因进行分析。

1 故障特征

某运行速度为300 km／h的高速动车组轴箱用双列圆柱滚子轴承发生多起温度超过120℃的温升预警故障。故障轴承零件外观形貌如图1所示，仅保持架存在磨损，正常运行120×104km的同型号保持架外观形貌如图2所示。分析其故障原因可能为保持架磨损。

图1 轴承零件外观形貌Fig.1 Appearance of bearing parts

图2 正常运行状态的保持架Fig.2 Cage under normal operating condition

2 故障原因分析

故障轴承主要结构参数：内径为130 mm，外径为240mm，宽度为160mm，单列滚子数量为17，滚子直径为27 mm，滚子长度为48 mm，滚子组节圆直径为184 mm，引导间隙为0.45 mm。

2.1 温度对保持架磨损的影响

2.1.1 理论分析

故障轴箱轴承保持架采用外圈引导方式（图3），在轴承运转过程中，保持架受温度、载荷及振动的影响发生径向弹性变形，外圈凸缘内径面约束保持架运动，使其保持相对稳定的运行姿态[5]。正常情况下保持架引导面与外圈凸缘内径面部分接触。当温度升高时，保持架引导面与外圈挡边内径面之间间隙可能减小，保持架引导面与外圈挡边内径面接触面积增大甚至全接触，从而产生磨损。

图3 外圈引导方式Fig.3 Guiding method of outer ring

在不考虑载荷及振动影响的情况下，各零件的线膨胀量为

式中：L为零件公称尺寸；ΔT为零件温度变化量；υ为零件线性热膨胀系数。

保持架材料线性热膨胀系数υ1＝50×10－6K－1，保持架与挡边配合外径公称尺寸为199.82 mm。外圈材料线性热膨胀系数υ2＝12×10－6K－1，轴承外圈挡边内径公称尺寸为201 mm。假设室温为20℃，且轴承外圈与保持架温差为10℃。

当外圈温度为120℃时，保持架线膨胀量为1.10 mm，外圈线膨胀变化量为0.24 mm，保持架引导间隙减小量为0.43 mm。当外圈温度为130℃时，保持架线膨胀量为1.20 mm，外圈线膨胀量为0.26 mm，保持架引导间隙减小量为0.47 mm。综上可知：在不考虑润滑影响下，当外圈温度上升至120～130℃时，保持架引导间隙减小量为0.43～0.47 mm。

温升预警轴承保持架引导间隙为0.45 mm。温度升高时保持架引导面可能与外圈挡边内径面发生全接触，从而产生磨损。

2.1.2 试验验证

选取3个保持架分别进行热膨胀试验，保持架加热至120℃时保持架半径膨胀值约为0.5 mm，保持架引导间隙为0.45mm，故可能会发生全接触。验证了上述理论分析的正确性。

2.2 保持架磨损对温度(内圈温度)的影响

2.2.1 有限元分析

前文分析了保持架磨损是由于温度升高所致，保持架磨损是否会影响温升需进行分析。建立轴承有限元模型，设置内圈转速为2 000 r／min，保持架转速为1 184 r／min，保持架与外圈摩擦因数为0.05，轴承外圈材料弹性模量为200 GPa，保持架材料弹性模量为7 500 MPa。

分析3种工况下的功率损失：1）保持架不磨损，正常运转轴承的功率损失；2）引导间隙为0.45 mm，保持架磨损产生的功率损失；3）引导间隙为0.5 mm，保持架磨损产生的功率损失。

通过有限元进行分析的结果如图4所示，由图可知：1）在工况1下，当轴承温度上升到80℃时，轴承功率损失为2 000 W，当轴承温度上升到110℃时，轴承功率损失为2 500 W；2）在工况2下，轴承温度上升到90℃时（保持架与挡边刚刚发生接触），保持架磨损造成的功率损失为250 W，远远低于轴承正常运行时的功率损失；3）在工况3下，轴承温度上升到100℃时（保持架与挡边刚刚发生接触），保持架磨损造成的功率损失为450 W，仍低于正常运转轴承的功率损失。

图4 功率损失分析结果Fig.4 Analysis results of power loss

综上可知，保持架磨损产生的功率损失对正常运行轴承功率损失影响很小，保持架磨损不会导致轴承温度急剧升高。

2.2.2 试验验证

为验证分析结果，进行了保持架全接触试验。试验共进行60 min，保持架的温升示意图如图5所示。由图可知：保持架全接触时温升约10℃。说明保持架接触不会导致保持架温度急剧升高。

图5 保持架温升示意图Fig.5 Diagram of temperature rise of cage

3 结束语

轴箱轴承保持架磨损的主要原因为轴承温升导致保持架与外圈挡边引导间隙减小，从而产生磨损。在保证轴承性能的前提下，采用外圈引导的高速动车组圆柱滚子轴承保持架与挡边间隙可适当增大，以减少保持架磨损的影响。分析结果可为该类轴承的设计提供参考。