货车26型轴承典型故障台架试验研究

刘 青 山，刁 克 军，赵 雷

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

轴承作为车辆运行的关键部件，其运用质量影响着车辆的运行安全。近年来，随着铁路货车新技术、新装备的逐步推广使用，货车车辆的运行品质日益提高。但因轴承造修质量及车辆运行状态受低温、环境腐蚀、风沙侵害等影响，使铁路货车车辆轴承热轴故障仍时有发生，给车辆安全运行带来隐患，对运输生产秩序造成干扰。

本文将针对60 t级货车装用的26型新造轴承、出现典型故障的轴承进行台架运转试验，对轴承在不同试验速度、不同试验载荷及运转时间下的温度(温升)变化规律进行研究分析，以期为货车26型轴承热轴故障分析及探明轴承失效机理，改善铁路货车轴承的使用状况，提高铁路货车运营安全性提供参考。

1 典型故障轴承统计

我国铁路货车轴承伤损类型大致可分为以下七大类二十小类[1-3]，分别是①剥离、碾皮及麻点；②裂损；③划伤、擦伤、拉伤及磕碰伤；④腐蚀(锈蚀)、电蚀及微动磨蚀；⑤磨削烧伤、磨痕及滚道面粗糙；⑥变色、烧附；⑦其他：磨损、表面接触不良、凹痕及压痕等。对近年来我国铁路货车在运用中出现的热轴定责故障轴承类型及数量进行了统计，统计结果见表1，并选取其中较为突出和典型的故障轴承类型进行了台架试验。结合台架试验结果，对其伤损原因和机理进行分析。

表1 轴承故障类型及数量统计

2 试验概况

2.1 轴承结构及轴承试验台

26型轴承结构见图1。轴承台架试验在中车青岛四方车辆研究所有限公司的轴承性能与寿命试验台上进行，轴承性能与寿命试验台见图2。

图1 26型轴承示意图

图2 轴承性能与寿命试验台

2.2 试验轴承

选取3种类型的26型轴承进行台架试验：第1种为新造轴承，第2种为预制故障轴承(故障为注脂量超差、保持架裂损)，第3种为运用故障轴承(故障为滚子环形条纹、内圈挡边角度超差、滚道剥离)。试验轴承状态见表2，故障轴承示意图见图3、图4。

表2 试验轴承状态

图3 保持架故障

图4 外圈滚道剥离

2.3 试验

试验载荷按照TB/T 3017.1—2016《机车车辆轴承台架试验方法 第1部分：轴箱滚动轴承》进行计算。垂向载荷恒定施加，横向载荷双向脉动施加。按照推力从0加载到最高值(0.2 s)→保持最高推力值(4.6 s)→推力卸载到0(0.2 s)→零载荷保持5 s→拉力从0加载到最高值(0.2 s)→保持最高拉力值(4.6 s)→拉力卸载到0(0.2 s)→零载荷保持5 s的周期循环进行试验。每次循环试验时间为8 h，首先顺时针运转3 h 50 min，停机10 min，再逆时针运转3 h 50 min，停机10 min。

试验分为2个阶段：变速试验阶段和强化试验阶段。变速试验阶段考察轴承在不同速度等级下的温度和温升状态；强化试验阶段通过增大横向载荷，考察轴承在不同横向载荷条件下的温度和温升状态。

3 试验结果及分析

3.1 新造轴承试验结果及分析

新造轴承进行了7次循环试验，变速试验阶段取80 km/h、100 km/h、120 km/h 3个速度等级，每个速度等级下进行2次循环试验，试验工况分别为1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2；强化试验阶段进行第7次循环试验，速度为100 km/h，横向载荷为31.47 kN(试验工况为4-1)。新造轴承在不同试验工况下的最高温度曲线见图5。由图5可知，在不同速度等级下，轴承试验温度随试验速度的增加而逐渐升高，在同一速度等级下，轴承试验温度随试验时间的增加而逐渐降低。

图5 新造轴承最高温度曲线图

3.2 注脂量超差轴承试验结果及分析

轴承润滑脂具有减少摩擦磨损、防锈、减缓冲击力的作用。润滑脂的填充量对轴承的寿命也有一定的影响，而过多的润滑脂填充量虽可以延长润滑周期，但容易产生搅拌热，引起润滑脂性能的劣化和流失。在试验工况与3.1节相同的情况下，将注脂量超差轴承与新造轴承的试验温度进行对比，分析注脂量对轴承运转温度的影响。由不同注脂量轴承最高温度柱状图(图6)可知，在运转初期，注脂量500 g(高于上限)的轴承的试验温度明显高于注脂量320 g(低于下限)和注脂量正常的轴承的试验温度，因此认为其与搅拌热有关。在工况4-1下2套注脂量超差轴承与新造轴承的试验温度差异变小。

图6 不同注脂量轴承最高温度柱状图

分析认为，轴承注脂量超差会对轴承初期运转温度产生影响，但运转一定时间后，轴承注脂量超差对轴承运转温度产生的影响基本消除。

3.3 保持架裂损轴承试验结果及分析

冲击负荷过大、润滑不良、卡入异物及安装不当易造成保持架的窗孔及端梁出现变形、磨损甚至断裂现象。试验选取2套保持架裂损故障轴承，试验工况同3.1节。保持架裂损轴承最高温度曲线见图7。由图7可知，在不同试验工况下轴承运转温度和温升正常。试验后轴承内圈状态如图8所示，轴承内圈、滚子和保持架在试验前后没有明显变化。

图7 保持架裂损轴承最高温度曲线图

图8 试验后轴承内圈状态

由试验结果可以看出，保持架虽存在裂损但没有破碎，若能维持轴承的滚子处于正常运转状态，短时间内不会对轴承的运转温度和温升产生明显的影响。

3.4 滚子环形条纹轴承试验结果及分析

润滑不良、异物侵入易造成轴承内外圈滚道面和滚子滚动面上呈现规则的周向环形条纹。试验选取2套运用中滚子环形条纹深度≤0.025 mm的轴承进行台架试验，速度为120 km/h，共进行了23次循环。由滚子环形条纹最高温度曲线(图9)可知，滚子环形条纹对轴承试验温度的影响不明显。

图9 滚子环形条纹最高温度曲线图

分析认为，滚子环形条纹深度≤0.025 mm对轴承运转温度不会产生明显的影响。这与铁总运[2016]191号文《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》[4]的规定吻合，即内外圈滚道面和滚子滚动面环形条纹深度≤0.025 mm，条数不大于4条，缺陷类别为A。A类缺陷对轴承性能和使用安全性没有影响，修复与否均可使用。

3.5 内圈挡边角度超差轴承试验结果及分析

轴承设计时，滚子球基面与内圈挡边在中部接触(图10)，这样可有效形成流体润滑油膜，改善滚子球基面与挡边之间的润滑状态，降低摩擦及运转温升，从而提高轴承的运转可靠性。试验选取1套内圈挡边角度超差运用故障轴承，试验速度分别为60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h时对应的工况分别为1-1、2-1、3-1、4-1，试验速度为100 km/h、横向载荷为31.47 kN时对应的工况为5-1。根据内圈挡边角度超差轴承与正常运用轴承温度对比柱状图(图11)可知，内圈挡边角度超差轴承在不同速度级别、不同横向载荷条件下试验温度均较高。

图11 内圈挡边角度超差轴承与新造轴承温度比对柱状图

分析认为，由于滚子引导面与滚子球基面不匹配，在轴向力作用下造成油膜破坏、润滑不良，导致内圈挡边角度超差轴承试验温度偏高。

3.6 滚道剥离轴承试验结果及分析

轴承钢中存在夹杂物、轴承负荷过大、安装不良、游隙过小及异常高温易造成滚道面剥离，试验分别选取1套内圈滚道小面积剥离轴承 (重新清洗注脂组装)、1套外圈滚道大面积剥离并且油脂变质未清洗的轴承进行试验。其中，内圈滚道小面积剥离轴承试验速度为120 km/h 时进行了1次循环试验，速度为132 km/h 时进行了6次循环试验，工况分别为：1-1、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6，试验结果如图12所示。外圈滚道大面积剥离轴承试验速度为60 km/h时进行了1次循环试验，速度为120 km/h时进行了7次循环试验，工况分别为1-1、2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7，试验结果如图13所示。

图12 内圈滚道小面积剥离轴承最高温度曲线图

图13 外圈滚道大面积剥离轴承最高温度曲线图

3.6.1 内圈滚道小面积剥离轴承

由图12可知，在整个试验过程中，轴承运转温度和温升较正常，剥离部位在试验前后没有明显变化。

北美铁道协会标准(AAR HⅡ分册《滚子轴承手册》)对内外圈滚道剥离修理做了如下规定：(1)剥离必须修理后才能投入使用；(2)剥离尺寸(任一边长)不大于in(9.525 mm)×in深(3.175 mm)可以修理；(3)滚道上2 in圆周长度(50.8 mm)不超过2处；(4)滚道上2处剥离间隔小于in(4.763 mm)；(5)滚道上修理的总数不超过6处。与北美铁道协会标准允许修理的剥离限度比较，该轴承剥离尺寸在规定范围内，且经过重新清洗注脂，在试验期间，轴承运转温度和温升没有出现问题也是正常的。

3.6.2 外圈滚道大面积剥离并且油脂变质轴承

由图13可知，随着试验的进行，温度一直上升直到轴承卡死。从试验后轴承外观(图14)可以看出：轴承密封罩外表面存在许多内部泄漏的油灰，导致轴承不能转动；车轴轴颈处存在深度约1 mm的圆周磨耗，说明轴承内圈与车轴已产生相对转动。

图14 试验后轴承外观

4 结论与建议

通过对注脂量超差、滚子环形条纹(深度≤0.025 mm)、内圈挡边角度超差、保持架裂损和滚道剥离的轴承进行台架运转试验分析可知：

(1) 注脂量超差、滚子环形条纹(深度≤0.025 mm)、保持架裂损(仍可维持滚子处于正常运转)等故障在试验初期不会影响轴承的运用。

(2) 内圈挡边角度超差时，轴承内部的滚动接触条件被破坏会使内部运转温度急剧升高，影响轴承的运用。

(3) 轴承滚道存在小面积剥离时，经重新清洗注脂组装后仍可运行，不会对轴承运转温度产生明显的影响；轴承滚道存在大面积剥离将造成卡滞，若强制运行，可能会在较短时间内发生热轴、燃轴事故。

虽然有些故障在运用初期不会对轴承运转温度产生明显的影响，但长期运用仍会带来寿命降低或影响行车安全的风险。因此轴承造修单位应加强质量控制，保证轴承的造修质量。