JD160轮驱装置轴承故障分析

宁华冰，周 彬，董健全

（中国铁路南宁局集团有限公司 科学技术研究所，1.高级工程师，广西 南宁 530029；中国铁路南宁局集团有限公司 南宁机务段，2.工程师，3.高级工，广西 南宁 530001）

0 引言

摩擦是铁路运输生产中能量转化的基本力，全球工业能源的1/3消耗于摩擦，在用轴承中的36%因为维保不当而失效。故此，减摩是中国式现代化进程中铁路运输生产的重要议题。轴承作为能量转换的关键部件，失效后不仅造成能源浪费、环境污染，故障发展至滚动体破碎、传动轴热切直接导致铁路交通事故，严重威胁铁路运输生产安全。2021年中国铁路南宁局集团有限公司南宁机务段（全文简称南机段）配属153 台HXD1C 型机车，该机车采用JD160轮对驱动（全文简称轮驱）装置。2015至2017年，基于轮驱装置局部轴承结构薄弱及周期性维护保养不当等状况，出现轴承故障高发的趋势。开展降低轮驱装置轴承故障率为主要目的的研究工作，在维护铁路机车设备质量及安全效益方面具有重要的价值。

1 JD160轮驱装置轴承故障分布及概率

南机段6A 车载走行部安全检测（AT1）子系统的JD160 轮驱装置轴承检测范围：918 条轮驱；其中768条采用北京唐智科研有限公司JK11430B型AT1系统，150 条采用成都运达科研有限公司YD-1 型AT1 子系统，匹配相应的AT1 地面分析软件进行检测。2016、2017 年检测发现JD160 电机N 端轴承故障大于40件，轴箱、抱轴轴承均在10件上下，详细分布见图1。

图1 JD160轮驱轴承故障数趋势

对JD160与YJ85A轮驱装置轴承故障率进行分析。故障率=故障数S÷走行百万公里M×100%（件/百万公里，全文同）。JD160 轮驱装置轴承故障率为0.73（其中牵引电机N 端轴承故障率为1.08）。同期YJ85A轮驱整体轴承故障率为0.22。

2 JD160牵引电机N端轴承故障分析及改进

2.1 车轮踏面对轴承故障的影响

JD160轮驱装置运行过程中需要的牵引力源自轮轨之间的摩擦。轮驱采用半悬挂方式组装，一系簧上、簧下质量分配近似于50%。冲击载荷复杂，主要分析轮轨冲击力的产生及吸收形式。轮轨冲击力的产生以机车踏面故障形式方面进行分析。踏面故障可分为：疲劳剥离、擦伤、多边形、不圆度等。现就踏面擦伤产生的擦伤冲击势能、踏面不圆度故障产生的冲击力进行定量分析。

擦伤故障踏面冲击量值分析。建立数学模型，设：踏面损伤在滚动圆上，擦伤深度为1mm，车轮直径D 为1000mm，单边车轮支撑的重量M 为10000 千克（HXD1C 机车轴重23 吨）。擦伤弧长等效于斜边为1000mm，一直角边长999mm。弦长=44.71mm=0.04471m 真空条件下自由落体1mm 时间T=这段时间车轮转过的弧长等于擦伤长度，则此时车速v= χ÷ T =0.04471÷0.0143=3.13m/s=11.27km/h。把车速放大10倍，即车速=112.7km/h时，T1=0.1T，即自由落体高度H1=0.1H。势能E=MgH。11.27km/h、112.7km/h条件下，势能分别为E=10000×9.8×0.001=98J；E1=10000×9.8×0.0001=9.8J。擦伤深度1mm，在11.27至112.7km/h速度范围内，冲击势能与速度成反比，呈线性关系，总体冲击势能较小。速度-势能关系见图2。

图2 擦伤条件下速度-势能关系图

不圆度的条件下振动冲击分析，建立数学模型，设：不圆度深度等于1mm时，经过的弧长约为1/4 圆周。因此没有类似自由落体造成的瞬时冲击。车轮不圆度滚动时产生危害性最小的正弦振动，车速=100km/h 时，直径D=1250mm 轮对的转动频率f=v÷（πD）=100÷3.6÷（3.14×1.25）=7.01Hz，振动力峰值F=MXf2g=10000×0.001×7.012×9.8=4815.7N。同法，车速v=20km/h时，振动力峰值F1=197.6N。以不圆度=1mm为例，振动冲击力峰值与速度的平方成正比，高速运行时总体冲击力大，不圆度条件下速度-峰值振动力关系图见图3。

图3 不圆度条件下速度-峰值振动力关系图

轮轨冲击力向牵引电机传导路径及弥散。每只轮对承受重力125kN，最大承受牵引力47.5kN，分析图4知：JD160轮驱装置牵引电机采用3点支撑半悬挂方式。即牵引电机通过2个抱轴箱轴承支撑在轮轴上，另1 个支点通过电机吊杆吊装在转向架构架上。振动冲击力分析：有踏面故障（见图4）的车轮旋转时，产生的冲击力大小与速度的2 次方成正比。出现多边形故障，一般为奇数，在7-23 范围内可使用6A系统捕捉特征信号。多边形故障的踏面，振动频率与多边形数成正比，为车轮实际频率的数倍。冲击力（见图5）一部分通过轴箱轴承、阻尼—弹簧系统传递到构架上，由构架吸收。另一部分通过抱轴承传递到牵引电机机体上，通过电机轴承传递到电枢轴上，由电枢轴吸收、弥散（见图6）。机车从动齿轮与车轮通过实心车轴联接。造成齿轮与踏面故障信号都能向电机电枢轴传递。当主动齿轮驱动有踏面擦伤故障的车轮运转时，除了正常齿轮啮合的扭矩作用力，还需承受额外的高频共振冲击力，才能使故障车轮从故障面沿钢轨“爬升”到正常区域。这个额外的周期性冲击，通过主动齿轮的支撑部分，即牵引电机轴承传导，由电枢轴吸收、弥散。在整个系统重力与牵引力的传导链中，薄弱点为尺寸相对较小的牵引电机N端轴承。到2017年底为止，其故障率高于其它走行部部件。2017年HXD1C机车踏面二级报警月均超35台，占机车总数的29.7%。轮驱装置靠轮轨摩擦力，旋转运动转换为机车直线运动，产生的振动被轴箱轴承、电机轴承吸收后转化成热能弥散到自然界。

图4 轮对踏面剥离、裂损、热疤、多边形故障实例

图5 轮轴中心作用力分析

图6 电机悬挂装置结构［1］

2.2 轮轨硬度比与踏面故障生成的关系

南机段JD160 轮驱装置轮对硬度分为3 个阶段：2017年11月之前，用ER7牌号轮对。2017年11月之后，用ER8牌号轮对替代ER7牌号。2021年12月之后，用ER8 牌号轮对。JD160 轮驱装置整体轮/轨硬度比基点HW/HR由≥0.73提升至≥0.77，最小轮/轨硬度比提升了5.5%。国内外轮轨材质及硬度详见表1。钢轨轨头断面硬度分布，典型牌号机车轮对断面硬度分布见图7、图8。

表1 国内外铁路常用轮轨材料与硬度，最低硬度比［3］

图7 U75V热处理钢轨轨头断面硬度分布（HRC洛氏硬度，点间距3mm）

图8 U75V-ER8及其它典型牌号机车轮对断面硬度分布（HB布氏硬度）

轮轨硬度匹配性在轮轨材料硬度匹配方面，基于早期的理论成果，同时考虑维修性、经济性等因素时，在轮轨磨耗都严重的情况下普遍使钢轨硬度略高于车轮硬度，即轮轨硬度比（HW/HR）略小于1。近年来的轮轨磨耗试验研究认为，在HW/HR 为0.95～1.15时，轮轨系统总磨耗较小，HW/HR＞1 时，轮轨材料变形和疲劳损伤较轻微，HW/HR=1.15时总磨耗最小，且接触疲劳损伤最轻微。此外，也有研究发现轮轨材料硬度匹配与车轮多边形形成具有相关性，轮轨材料硬度比小于1.05时，车轮试样容易发生多边形磨耗；当轮轨材料硬度比大于1.36时，车轮试样几乎不发生多边形磨耗［3］。改善轮轨硬度比可减少车轮疲劳剥离、擦伤、多边形、不圆度等故障的生成概率。

2.3 JD160与YJ85A牵引电机N端轴承载荷强度比较

从JD160电机和YJ85A牵引电机的结构强度方面对比分析。分析图9、10 知。HXD3CYJ85A 牵引电机N端，采用深沟球（37）、圆柱滚子（41）双列轴承结构，2017 至2021 年，此位轴承故障数为0 件。HXD1C机车JD160牵引电机N端，采用单列BB7009角接触球轴承（“7”表示6 类角接触球轴承）。仅2016、2017年，此位轴承故障为37件。显而易见，在设计方面，JD160 牵引电机N 端轴承偏向于承受高速轻载的运用环境。

图9 HXD1C机车JD160牵引电机N端，单列BB7009型角接触球轴承组装结构［1］

图10 HXD3C机车YJ85A牵引电机N端，深沟球（序号37）圆柱滚子（序号41）双列轴承结构［2］

2.4 改进技术方案

2.4.1 轮对材质调剂及维护方面 （1）2017年11月建议使用（U75V）ER8 牌号的机车轮对替代ER7 牌号轮对，提高轮轨硬度比（HW/HR）。中车株机公司在2021年实施完毕。

（2）2018 至2021 年，以6A-AT1 系统检测为主，降低踏面II级振动报警率。2018年初细化车载AT1系统数据分析JD160 轮驱镟修轮对标准。一是对6A系统走行子系统踏面II级报警信息，须按最小进刀量镟修整理轮对；二是HXD1C机车担当临客牵引任务时，不允许出现踏面I级报警。

（3）筛查轮对多边形故障诊断为6A 系统的弱点，采集振动信号强度仅略高于总体振动的背景噪声强度；主动分析车辆5T 检测系统TDCS 数据，对JD160轮对踏面多边形进行检测；同时结合人工检查结果，分等级镟修整理踏面。2019年5月实施。

2.4.2 轮驱装置保养维护方面 2016 年规范润滑脂型号、定量补充JD160电机N端轴承润滑脂，改善运用环境。

2.5 技术改进方案实施效果分析

2016年8月开始实施第一阶段措施：（1）解决油润不良问题，2017 年8月对措施落实及效果进行小结；2017年11月实施第二阶段措施削弱踏面冲击力，2018年8月进行小结。发现：上述方案单一实施时，HXD1C 牵引电机N 端轴承故障率无明显降低。（2）削弱踏面冲击力与提高油润保养质量同时实施后，HXD1C牵引电机轴承故障率极大降低，自2017年8月至2018 年5 月连续10 个月实现HXD1C 牵引电机N端轴承零故障，效果明显（详细数据见图11）。2018年1 月同步出现轮对镟修数量上升，踏面二级报警数量下降的拐点。

图11 2016年1月至2018年8月镟修机车数、电机N端轴承故障数

一是通过优化各级修程油润方案，2017年前通过6A系统主动筛查疲劳剥离、擦伤、多边形、不圆度等，结合人工检查，按故障等级镟修整理轮对踏面，2018 年降低至2 件/年。2018 年，南机段镟修HXD1C机车轮对踏面接近300台次，在2015至2022年达到峰值；同期JD160 电机N 端轴承故障数降至历史最低值2 例。二是使用ER8 牌号轮对后，根据踏面机车尺寸实测数据，减少轮对镟修整理台数，JD160电机N端轴承故障数量小幅度上升后趋于平稳。2019 年后通过5T 数据分析，JD160 牵引电机N端单列BB7009型角接触球轴承高速载荷性能较强，重载载荷性能较弱，具有高速轻载的特点。轮轨冲击方面，ER8 牌号车轮硬度高，产生不规则损伤、多边形故障发展周期较ER7牌号长，大幅降低轮轨冲击力，减少振动能量的产生。三是严格规范JD160轮驱走行部油润保养维护、轴箱装置检修工艺。通过以上技术改进，达成降低JD160 轮驱装置轴承故障率的目标。

3 JD160轮驱装置轴箱轴承故障分析及改进

3.1 原因分析

2015年、2016年JD160轮驱装置轴箱轴承故障率为0.39。原因分析聚焦保养维护及轴箱附属装置两方面。机车总体油润质量方面，通过分析表1确定部分轴承故障系油润不良造成，其中缺油比例占40%。2014至2016年南机段配属HXD1C机车共118台，分别从西宁、重庆、洛阳等机务段调入。该批次机车在有电区停放时间长，未按3个月周期动车保护轴承油膜，长期未补充润滑脂的问题。轴承润滑脂不足及润滑脂老化均影响润滑效果，导致轴承发热量增大、振动增大、异常磨损等，对轴承寿命负面影响较大。轴箱装置密封性能方面，对HXD1C-0649机车51测点轴承外滚道一级报警故障情况分析，轴箱装置密封性能不良直接导致轴承故障典型案例。承室进水导致轴承润滑脂乳化变质，绝缘值降低，轴承破损见图12。轴箱装置密封垫密封不良，轴承室透水见图13。因此，HXD1C轴箱装置密封性能不良，直接导致轴承破损。技术提升方案：C4修更新HXD1C轴箱防水胶垫。C2、C3级修程开盖检查密封状态。方案实施后，HXD1C轴箱轴承故障数量由2016、2017年均5件，减少至2018至2020年年均1件。

图12 HXD1C-0649机车5轴同位轴承故障实例

图13 HXD1C-0649机车5轴轮驱装置轴箱装置透水实例

3.2 技改方案及效果

JD160轮驱装置轴箱轴承故障由速度传感器安装工艺落实效果不佳，密封不良、造成轴承润滑脂乳化，轴承绝缘性能遭破坏导致。通过改进速度传感器检修工艺，包括用8.8 级M8×50mm 外六角螺栓替换内六角螺栓，规范密封垫材质及尺寸等措施，有效降低此故障率。

4 结束语

JD160 轮驱装置轴承故障进行系统分析，剔除偶发故障后，通过规范并执行JD160 轮驱装置维护保养标准，轮对踏面精细镟修整理标准等一系列方案，有效抑制JD160轮驱装置轴承故障率。其中，轴箱轴承故障率由2017 年前的0.39 降低至2018 年后0.04。JD160牵引电机N端轴承故障率由2016、2017年的1.08，降低至2018年0.09。