高速動車組軸箱軸承保持架磨損原因分析

范軍，韓慶利，劉超，劉闖

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

軸箱軸承是軌道列車轉(zhuǎn)向架的重要零部件之一[1－4]，其主要作用為承載列車質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)輪對高速運(yùn)轉(zhuǎn)。某軸箱軸承使用過程中發(fā)生多起溫升預(yù)警故障，有必要對溫升預(yù)警軸承故障原因進(jìn)行分析。

1 故障特征

某運(yùn)行速度為300 km／h的高速動車組軸箱用雙列圓柱滾子軸承發(fā)生多起溫度超過120℃的溫升預(yù)警故障。故障軸承零件外觀形貌如圖1所示，僅保持架存在磨損，正常運(yùn)行120×104km的同型號保持架外觀形貌如圖2所示。分析其故障原因可能為保持架磨損。

圖1 軸承零件外觀形貌Fig.1 Appearance of bearing parts

圖2 正常運(yùn)行狀態(tài)的保持架Fig.2 Cage under normal operating condition

2 故障原因分析

故障軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：內(nèi)徑為130 mm，外徑為240mm，寬度為160mm，單列滾子數(shù)量為17，滾子直徑為27 mm，滾子長度為48 mm，滾子組節(jié)圓直徑為184 mm，引導(dǎo)間隙為0.45 mm。

2.1 溫度對保持架磨損的影響

2.1.1 理論分析

故障軸箱軸承保持架采用外圈引導(dǎo)方式（圖3），在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持架受溫度、載荷及振動的影響發(fā)生徑向彈性變形，外圈凸緣內(nèi)徑面約束保持架運(yùn)動，使其保持相對穩(wěn)定的運(yùn)行姿態(tài)[5]。正常情況下保持架引導(dǎo)面與外圈凸緣內(nèi)徑面部分接觸。當(dāng)溫度升高時，保持架引導(dǎo)面與外圈擋邊內(nèi)徑面之間間隙可能減小，保持架引導(dǎo)面與外圈擋邊內(nèi)徑面接觸面積增大甚至全接觸，從而產(chǎn)生磨損。

圖3 外圈引導(dǎo)方式Fig.3 Guiding method of outer ring

在不考慮載荷及振動影響的情況下，各零件的線膨脹量為

式中：L為零件公稱尺寸；ΔT為零件溫度變化量；υ為零件線性熱膨脹系數(shù)。

保持架材料線性熱膨脹系數(shù)υ1＝50×10－6K－1，保持架與擋邊配合外徑公稱尺寸為199.82 mm。外圈材料線性熱膨脹系數(shù)υ2＝12×10－6K－1，軸承外圈擋邊內(nèi)徑公稱尺寸為201 mm。假設(shè)室溫為20℃，且軸承外圈與保持架溫差為10℃。

當(dāng)外圈溫度為120℃時，保持架線膨脹量為1.10 mm，外圈線膨脹變化量為0.24 mm，保持架引導(dǎo)間隙減小量為0.43 mm。當(dāng)外圈溫度為130℃時，保持架線膨脹量為1.20 mm，外圈線膨脹量為0.26 mm，保持架引導(dǎo)間隙減小量為0.47 mm。綜上可知：在不考慮潤滑影響下，當(dāng)外圈溫度上升至120～130℃時，保持架引導(dǎo)間隙減小量為0.43～0.47 mm。

溫升預(yù)警軸承保持架引導(dǎo)間隙為0.45 mm。溫度升高時保持架引導(dǎo)面可能與外圈擋邊內(nèi)徑面發(fā)生全接觸，從而產(chǎn)生磨損。

2.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取3個保持架分別進(jìn)行熱膨脹試驗(yàn)，保持架加熱至120℃時保持架半徑膨脹值約為0.5 mm，保持架引導(dǎo)間隙為0.45mm，故可能會發(fā)生全接觸。驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。

2.2 保持架磨損對溫度(內(nèi)圈溫度)的影響

2.2.1 有限元分析

前文分析了保持架磨損是由于溫度升高所致，保持架磨損是否會影響溫升需進(jìn)行分析。建立軸承有限元模型，設(shè)置內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，保持架轉(zhuǎn)速為1 184 r／min，保持架與外圈摩擦因數(shù)為0.05，軸承外圈材料彈性模量為200 GPa，保持架材料彈性模量為7 500 MPa。

分析3種工況下的功率損失：1）保持架不磨損，正常運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的功率損失；2）引導(dǎo)間隙為0.45 mm，保持架磨損產(chǎn)生的功率損失；3）引導(dǎo)間隙為0.5 mm，保持架磨損產(chǎn)生的功率損失。

通過有限元進(jìn)行分析的結(jié)果如圖4所示，由圖可知：1）在工況1下，當(dāng)軸承溫度上升到80℃時，軸承功率損失為2 000 W，當(dāng)軸承溫度上升到110℃時，軸承功率損失為2 500 W；2）在工況2下，軸承溫度上升到90℃時（保持架與擋邊剛剛發(fā)生接觸），保持架磨損造成的功率損失為250 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承正常運(yùn)行時的功率損失；3）在工況3下，軸承溫度上升到100℃時（保持架與擋邊剛剛發(fā)生接觸），保持架磨損造成的功率損失為450 W，仍低于正常運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的功率損失。

圖4 功率損失分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of power loss

綜上可知，保持架磨損產(chǎn)生的功率損失對正常運(yùn)行軸承功率損失影響很小，保持架磨損不會導(dǎo)致軸承溫度急劇升高。

2.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果，進(jìn)行了保持架全接觸試驗(yàn)。試驗(yàn)共進(jìn)行60 min，保持架的溫升示意圖如圖5所示。由圖可知：保持架全接觸時溫升約10℃。說明保持架接觸不會導(dǎo)致保持架溫度急劇升高。

圖5 保持架溫升示意圖Fig.5 Diagram of temperature rise of cage

3 結(jié)束語

軸箱軸承保持架磨損的主要原因?yàn)檩S承溫升導(dǎo)致保持架與外圈擋邊引導(dǎo)間隙減小，從而產(chǎn)生磨損。在保證軸承性能的前提下，采用外圈引導(dǎo)的高速動車組圓柱滾子軸承保持架與擋邊間隙可適當(dāng)增大，以減少保持架磨損的影響。分析結(jié)果可為該類軸承的設(shè)計提供參考。