跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架水平輪軸承損傷分析及解決方案

韓俊臣 李 穩(wěn) 于忠建

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 130062， 長(zhǎng)春//第一作者， 高級(jí)工程師)

跨坐式單軌交通系統(tǒng)以其噪聲低、爬坡能力強(qiáng)、占地面積小、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外已有廣泛應(yīng)用。跨坐式單軌車(chē)輛轉(zhuǎn)向架采用橡膠充氣輪胎作為走行輪，用于承載列車(chē)質(zhì)量并提供驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力；4個(gè)導(dǎo)向輪豎軸安裝在轉(zhuǎn)向架四角，壓緊軌道側(cè)面，為車(chē)輛提供導(dǎo)向力，使列車(chē)沿軌道方向運(yùn)行；2個(gè)穩(wěn)定輪豎軸安裝在轉(zhuǎn)向架下部，為列車(chē)提供抗側(cè)傾力矩。跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架4個(gè)導(dǎo)向輪和2個(gè)穩(wěn)定輪都采用豎軸安裝方式，輪面呈水平狀態(tài)，故常將導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪統(tǒng)稱(chēng)為水平輪。水平輪橡膠輪胎通過(guò)鋁輪輞安裝在輪心上，輪心通過(guò)2套背對(duì)背安裝的圓錐滾子軸承(大軸承、小軸承)，以及相關(guān)密封件、緊固件組裝在水平輪軸上，如圖2所示。

圖2 水平輪剖面圖

因采用豎軸安裝方式，在大軸承下部和小軸承上部均設(shè)置了擋油板，并在小軸承下部空間填充少量潤(rùn)滑脂，為軸承提供持續(xù)潤(rùn)滑。大軸承和小軸承規(guī)格見(jiàn)表1。按照車(chē)輛修程，跨坐式單軌車(chē)輛每運(yùn)行30萬(wàn)km需對(duì)水平輪軸承進(jìn)行分解檢查和更換潤(rùn)滑脂。

表1 水平輪軸承規(guī)格[1]

1 軸承故障

1.1 故障現(xiàn)象

車(chē)輛按修程進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)水平輪小軸承的滾子和滾道表面的對(duì)應(yīng)位置沿周向存在機(jī)械損傷。經(jīng)清洗檢查，確認(rèn)軸承損傷形式為擦傷。軸承潤(rùn)滑脂、保持架外觀狀態(tài)良好，軸承無(wú)卡滯、過(guò)熱現(xiàn)象，軸承外圈、內(nèi)圈和滾子表面損傷見(jiàn)圖3—圖5。

圖3 小軸承外圈損傷

圖4 小軸承內(nèi)圈損傷

圖5 小軸承滾子損傷

通過(guò)對(duì)損傷的軸承外圈、內(nèi)圈和滾子進(jìn)行尺寸檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)小軸承內(nèi)、外圈擦傷位置的不圓度最大值達(dá)到14.3 μm(見(jiàn)圖6)，且外觀可見(jiàn)明顯的機(jī)械損傷。此時(shí)軸承已無(wú)法繼續(xù)使用，需按修程進(jìn)行更換。

a) 外圈b) 內(nèi)圈

圖6 小軸承外圈、內(nèi)圈的圓度檢測(cè)情況

1.2 故障統(tǒng)計(jì)

對(duì)故障軸承進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，一列4輛編組列車(chē)共計(jì)48套水平輪，小軸承發(fā)生擦傷的比例高達(dá)75%，而大軸承沒(méi)有發(fā)生擦傷的情況。按照不同安裝位置統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)向輪小軸承發(fā)生擦傷的比例為72%，穩(wěn)定輪小軸承發(fā)生擦傷的比例為81%。

2 故障分析

軸承擦傷是由于運(yùn)轉(zhuǎn)中的滾子與滾道之間存有嚴(yán)重的滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸面發(fā)生機(jī)械損傷而產(chǎn)生的[2]，因此，軸承滾子打滑是軸承擦傷的直接原因。

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)軸承擦傷問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)分析可知，軸承擦傷僅發(fā)生在同軸安裝的小軸承上，說(shuō)明大小軸承的運(yùn)用環(huán)境有較大差異。從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架水平輪為豎軸安裝結(jié)構(gòu)，輪心內(nèi)部填充的潤(rùn)滑脂在重力作用下會(huì)自然向下滴落，但大軸承下方設(shè)置有擋油板，滴落的潤(rùn)滑脂將聚集在擋油板上。擋油板連同大軸承形成相對(duì)狹小的密閉儲(chǔ)油空間，同時(shí)，圓錐滾子軸承因滾子自身存在錐角，旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力沿軸向分力會(huì)使?jié)櫥诖筝S承內(nèi)部形成泵吸效應(yīng)，促使大軸承潤(rùn)滑脂向上流動(dòng)；結(jié)合重力作用，潤(rùn)滑脂將在大軸承內(nèi)形成穩(wěn)定循環(huán)，保證大軸承得到良好的潤(rùn)滑。而小軸承僅在其上方設(shè)置了擋油板，在小軸承下方并沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置儲(chǔ)油空間，在泵吸效應(yīng)及重力作用下，潤(rùn)滑脂將被向下甩進(jìn)小軸承下方由輪心與端蓋形成的較大的密閉空間內(nèi)。由于潤(rùn)滑脂不足以將該密閉空間填充滿，在重力作用下無(wú)法實(shí)現(xiàn)由下向上供給潤(rùn)滑脂，導(dǎo)致小軸承內(nèi)損失的潤(rùn)滑脂無(wú)法得到補(bǔ)充。當(dāng)小軸承長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，將發(fā)生貧油現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良。在潤(rùn)滑不良情況下，若滾子發(fā)生打滑，將大大增加軸承擦傷風(fēng)險(xiǎn)。同軸安裝的大、小軸承潤(rùn)滑脂流向如圖7所示。

圖7 圓錐滾子軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂泵吸效應(yīng)

2.2 軸承運(yùn)用工況分析

為了使?jié)L子進(jìn)入承載區(qū)時(shí)為純滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須確保軸承承受一定的徑向載荷，否則滾子在進(jìn)入承載區(qū)后將發(fā)生嚴(yán)重打滑。各軸承供應(yīng)商對(duì)軸承的最小徑向載荷設(shè)定有所不同，如NSK公司(日本精工株式會(huì)社)要求大軸承須承受的最小載荷為4 000 N，小軸承須承受的最小載荷為3 520 N。

為保證車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性，跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架水平輪與軌道梁之間設(shè)有一定的預(yù)壓力，同時(shí)，考慮水平輪輪胎的使用壽命，車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下水平輪與軌道梁之間的壓緊力設(shè)定為4 500 N。按照軸承組裝尺寸計(jì)算，大軸承所承受的預(yù)壓力為2 538.5 N，小軸承所承受的預(yù)壓力為1 961.5 N，均未能夠滿足軸承最小徑向載荷要求。由此可知，大、小軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，均存在滾子打滑風(fēng)險(xiǎn)。

車(chē)輛在運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知，在軌道激擾作用下，水平輪與軌道梁之間的壓力將以預(yù)壓力為軸線上下波動(dòng)，如圖8所示。由圖8可知，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，水平輪與軌道之間的壓力最低會(huì)降至0，這也進(jìn)一步增大滾子打滑的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，跨坐式單軌曲線軌道分為撓曲線和折曲線兩種類(lèi)型。按幾何尺寸計(jì)算，車(chē)輛通過(guò)折曲線時(shí)部分水平輪載荷增加，部分水平輪載荷減小，極限情況下穩(wěn)定輪和導(dǎo)向輪都存在與軌道梁開(kāi)脫導(dǎo)致壓緊力降至0的工況；車(chē)輛通過(guò)曲線后，當(dāng)水平輪與軌道梁重新接觸時(shí)，軸承轉(zhuǎn)速和載荷的瞬間增加會(huì)導(dǎo)致處于承載區(qū)的滾子相對(duì)滾道發(fā)生打滑。當(dāng)水平輪在運(yùn)行時(shí)頻繁發(fā)生卸載和急加速的工況時(shí)，將會(huì)加大軸承因打滑而擦傷的風(fēng)險(xiǎn)。

a) 導(dǎo)向輪輪軌壓力曲線

b) 穩(wěn)定輪輪軌壓力曲線

2.3 潤(rùn)滑脂分析

軸承潤(rùn)滑脂的有效性取決于滾動(dòng)接觸面中兩個(gè)表面的分離程度。要在滾動(dòng)接觸面之間形成一個(gè)足以把兩個(gè)表面分開(kāi)的潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑脂必須在正常工作溫度時(shí)能保持不低于所要求的最低黏度。潤(rùn)滑脂是通過(guò)析出基礎(chǔ)油起主要潤(rùn)滑作用的，因此，基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度在選擇潤(rùn)滑脂時(shí)至關(guān)重要。用于滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑脂，基礎(chǔ)油在40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度通常為15～500 mm2/s，如果高于1 000 mm2/s，其析油率會(huì)非常低，軸承因此無(wú)法得到充分的潤(rùn)滑。

跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架水平輪軸承采用鐵路專(zhuān)用極壓鋰基潤(rùn)滑脂，牌號(hào)為G396，由新日本石油公司生產(chǎn)，其主要性能指標(biāo)如下：基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)黏度在40 ℃時(shí)為95.0 mm2/s，在100 ℃時(shí)為10.8 mm2/s；錐入度在 25 ℃時(shí)為230(0.1 mm)；滴點(diǎn)為203 ℃。

水平輪直徑為730 mm，車(chē)輛最高運(yùn)營(yíng)速度(75 km/h)時(shí)的軸承轉(zhuǎn)速n=545 r/min。通過(guò)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度監(jiān)測(cè)可知，軸承平均溫度約為80 ℃。對(duì)于軸承轉(zhuǎn)速n<1 000 r/min的工況，可按ISO 281標(biāo)準(zhǔn)[3]中公式(28)計(jì)算出在軸承工作溫度條件下所需的潤(rùn)滑油參考黏度為:

式中：

Dpw——軸承節(jié)圓直徑。

按照ASTM D 2270標(biāo)準(zhǔn)[4]可計(jì)算得出，G396潤(rùn)滑脂的黏度指數(shù)為96.9。參照黏度指數(shù)為100的潤(rùn)滑油溫度-黏度關(guān)系圖(見(jiàn)圖9)可知，在水平輪工作溫度(80 ℃)下，G396潤(rùn)滑脂黏度不足20 mm2/s，低于根據(jù)ISO 281標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的軸承工作溫度下潤(rùn)滑脂黏度(26.94 mm2/s)。同時(shí)，對(duì)比圖9可知，根據(jù)軸承工作溫度及所需潤(rùn)滑脂黏度，水平輪軸承所用潤(rùn)滑脂在40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度應(yīng)不低于150 mm2/s。因此，目前水平輪軸承采用的G396潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度偏低，無(wú)法形成良好的油膜，這也是導(dǎo)致軸承擦傷的原因之一。

圖9 軸承潤(rùn)滑脂溫度與黏度的關(guān)系曲線

2.4 軸承游隙影響

在新造車(chē)輛的水平輪軸承組裝時(shí)，要求游隙為0.06～0.10 mm。軸承在使用了一段時(shí)間后，游隙一般會(huì)略有增加。軸承分解檢查前對(duì)軸承游隙進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示：軸承游隙超過(guò)0.10 mm的比例為35%，游隙處于0.08～0.10 mm的比例為36%，游隙小于0.08 mm的比例為29%；發(fā)生擦傷的軸承中，有95%的游隙值達(dá)到0.08 mm以上。軸承游隙及擦傷比例統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)圖10。

統(tǒng)計(jì)分析小軸承擦傷與軸承游隙之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：當(dāng)軸承游隙小于0.08 mm時(shí)，小軸承擦傷比例為14%；當(dāng)軸承游隙大于0.08 mm時(shí)，小軸承擦傷比例為100%。由此可見(jiàn)，軸承游隙越小，發(fā)生擦傷的概率越低。軸承運(yùn)用中由內(nèi)至外存在一定的溫度梯度，軸承外圈比內(nèi)圈溫度低。當(dāng)軸承在運(yùn)用中達(dá)到熱平衡時(shí)，軸承游隙會(huì)因溫度梯度而變小，甚至降至0或負(fù)游隙(即產(chǎn)生一定的張緊力)，從而降低因水平輪減載而導(dǎo)致的滾子打滑問(wèn)題。因此，軸承游隙偏大，也是軸承擦傷原因之一。

a) 正常軸承b) 擦傷軸承

圖10 軸承游隙c統(tǒng)計(jì)分布情況

綜上所述，跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架因其線路條件限制，水平輪在運(yùn)用中不可避免地會(huì)發(fā)生卸載工況。當(dāng)水平輪與軌道梁重新接觸時(shí)，軸承轉(zhuǎn)速急劇升高、載荷逐漸增加，導(dǎo)致輪軌接觸初期軸承滾子相對(duì)滾道發(fā)生嚴(yán)重打滑，這是軸承擦傷的直接原因。但并非所有軸承都存在擦傷問(wèn)題，尤其是大軸承從未發(fā)生過(guò)擦傷現(xiàn)象，說(shuō)明運(yùn)用工況并不是導(dǎo)致軸承擦傷的根本原因。大軸承的安裝結(jié)構(gòu)使其在安裝空間內(nèi)形成了循環(huán)潤(rùn)滑效果，有效防止了因滾子打滑導(dǎo)致的擦傷問(wèn)題，說(shuō)明潤(rùn)滑條件對(duì)軸承是否發(fā)生擦傷現(xiàn)象起到了決定性作用。此外，軸承游隙的大小對(duì)軸承擦傷風(fēng)險(xiǎn)也有較大影響，若能通過(guò)適當(dāng)減小軸承游隙，使軸承達(dá)到熱平衡時(shí)游隙減小至0或產(chǎn)生負(fù)游隙，則會(huì)大大降低軸承擦傷風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)要考慮軸承游隙過(guò)小可能引起的熱軸風(fēng)險(xiǎn)。

3 解決方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合水平輪軸承安裝結(jié)構(gòu)，提出軸承損傷的解決方案如下：

(1) 在小軸承下方增加擋油板，使充足的潤(rùn)滑脂保持在軸承安裝區(qū)域，即便在軸承泵吸效應(yīng)作用下，小軸承內(nèi)部仍不會(huì)出現(xiàn)貧油現(xiàn)象，從而確保軸承得到充分潤(rùn)滑，如圖11所示。

圖11 小軸承下方增加擋油板

(2) 將軸承組裝游隙調(diào)整為0.03～0.07 mm，同時(shí)為防止軸承游隙過(guò)小引起軸溫異常問(wèn)題，采取溫度試紙監(jiān)測(cè)軸承最高溫度。

(3) 將潤(rùn)滑脂更換為基礎(chǔ)油黏度更高的SHELL Gadus S3 V220 C2潤(rùn)滑脂，其性能指標(biāo)如下：基礎(chǔ)油黏度在40 ℃時(shí)為220.0 mm2/s，在100 ℃時(shí)為19.0 mm2/s；錐入度在 25 ℃時(shí)為265～295(0.1 mm)；滴點(diǎn)為240 ℃。

為驗(yàn)證上述解決方案效果，選擇在線運(yùn)營(yíng)的一列4輛編組列車(chē)共計(jì)48套水平輪，按上述方案開(kāi)展現(xiàn)車(chē)跟蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：車(chē)輛運(yùn)行10萬(wàn)km后，抽取2套水平輪分解檢查，均未發(fā)現(xiàn)軸承擦傷現(xiàn)象；其余46套水平輪在運(yùn)行里程達(dá)到30萬(wàn)km時(shí)進(jìn)行分解檢修，檢修時(shí)導(dǎo)向輪沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸承擦傷現(xiàn)象，穩(wěn)定輪僅有5套小軸承存在輕微擦傷(應(yīng)與穩(wěn)定輪減載頻率和減載程度有關(guān))。因此，通過(guò)采取增加擋油板、減小軸承游隙、采用高基礎(chǔ)油黏度潤(rùn)滑脂等3個(gè)方面措施，基本可解決軸承擦傷問(wèn)題，且效果非常明顯。另外，為了進(jìn)一步降低軸承擦傷概率，還可將軸承游隙進(jìn)一步減小至0.02～0.06 mm。

4 結(jié)論

(1) 由于水平輪的輪軸豎向安裝，會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑脂因自身重力作用存在自然滴落問(wèn)題，因此，有必要設(shè)置擋油板保證軸承潤(rùn)滑充分，避免因長(zhǎng)期運(yùn)用后產(chǎn)生貧油現(xiàn)象，引起軸承損傷。

(2) 對(duì)于水平輪軸承在運(yùn)用中存在受力無(wú)法達(dá)到最小徑向載荷要求的情況，應(yīng)盡可能采用小游隙設(shè)置，條件允許情況下可采用負(fù)游隙設(shè)計(jì)，以降低軸承因打滑而擦傷的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 軸承潤(rùn)滑脂的性能主要取決于基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度。為能在滾子與滾道之間形成持久的潤(rùn)滑油膜，應(yīng)選取具有合適運(yùn)動(dòng)黏度的潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂黏度可參照ISO 281標(biāo)準(zhǔn)或軸承供應(yīng)商手冊(cè)計(jì)算。