铁路客车轴承疲劳剥落分析
2011-04-01姜长英
姜长英
(铁道部驻大连车辆验收室,辽宁 大连 116300)
铁路客车轴承是保证客车正常运行的关键零部件。随着铁路运营速度的不断提高,轴承的失效问题更加突出。铁路客车轴承在使用过程中有多种失效形式,其中疲劳剥落占很大比例。下文针对客车轴承的疲劳剥落问题进行分析,并提出相应的改进措施。
1 疲劳剥落机理
铁路客车轴承在工作时,其内圈、外圈和滚动体之间承受着高频、交变应力的作用,载荷集中作用在滚动体和套圈接触面上,产生很大的应力;轴承在旋转过程中,要承受离心力的作用;套圈和滚动体间还存在滚动摩擦和滑动摩擦,在这些因素的综合作用下,套圈和滚动体表面疲劳强度低或有微缺陷的地方会首先产生疲劳微裂纹,并逐渐扩展最终形成剥落。总之,疲劳剥落就是零件表面在高接触应力的循环作用下所产生的材料片状剥落现象。其形态特征是具有一定的深度和面积,表面呈凹凸不平的鳞状,具有尖锐的沟角,通常呈疲劳扩展特征的海滩状条纹。
2 产生疲劳剥落的原因
就现有经验及现场实际情况分析可知,轴承自身质量和轴承安装使用是导致轴承疲劳剥落产生的主要原因。
2.1 轴承自身质量
轴承疲劳剥落属于接触疲劳性质,就轴承自身质量来说,疲劳剥落主要受轴承自身的强度、韧度、耐磨性及硬度等特性的影响而发生。
2.1.1 钢中夹杂物
钢中非金属夹杂物的存在破坏了金属的连续性和均匀性,在外界应力作用下,工作表面和近表面上的非金属夹杂物和材料的基体组织间容易形成疲劳裂纹源,这种裂纹源在应力的作用下随时间逐渐扩展最终形成疲劳剥落。对26套疲劳剥落的客车轴承进行失效分析,发现有1套轴承内圈剥落附近的夹杂物超标,但尚不能确定是否是由夹杂物引起的剥落。
2.1.2 钢中碳化物
钢中碳化物颗粒大且分布不均,网状碳化物和带状碳化物的级别增大都会降低轴承的抗疲劳强度。而残存于原材料中的碳化物可以通过锻造过程得到改善,因此,锻造工序是控制碳化物质量的有效手段。对26套疲劳剥落的客车轴承进行失效分析,虽然未发现碳化物不合格导致剥落的证据,但在其他规格剥落轴承中确实发现有沿碳化物带分布的剥落源。
2.1.3 微观缺陷
微观缺陷主要是指轴承滚道表面和近表面存在的微小不连续缺陷,外观和磁粉探伤很难发现,但都是应力集中点,在外加应力作用下会逐渐扩展为微裂纹、裂纹,最终形成疲劳剥落。
2.1.4 热处理质量
由于硬度低、脱碳等热处理质量原因会导致轴承的抗疲劳强度急剧下降,大大提高了疲劳剥落的可能性。
2.1.5 磨削加工
磨削工序所导致的表面磨削烧伤形式有点状、柱状、圆周线状和面状等。烧伤会使轴承的硬度和抗疲劳强度急剧下降。在运转过程中受到交变应力作用时,烧伤部位会形成龟状裂纹,进而逐步剥落。
2.1.6 滚道加工精度
滚道的尺寸精度、凸度形状和圆度误差等会在滚道局部形成应力集中,使轴承在运转过程中滚道局部所承受的载荷处于非正常状态,如果载荷超过极限载荷时,也容易局部先出现微裂纹,最后扩展成为疲劳剥落。
2.2 轴承安装使用
轴承装配、使用过程中可能产生轴承疲劳剥落的原因有:
(1)轴承装配时过盈量过大,使轴承游隙减小,载荷增大;轴承的偏斜导致轴承侧向载荷过大等安装不当。
(2)轴承内部有异物导致的滚道划伤,当载荷过大特别是冲击载荷过大,如意外紧急停车;轴承的润滑不良等。
(3)轴或轴箱精度不高。
(4)列车运行的路况出现异常情况使轴承在运转过程中承受过大的冲击载荷。
2.3 综合分析
对26套疲劳剥落的客车轴承进行分析可知,材料、热处理和组织基本没有问题,而几乎所有剥落轴承的运行状态都不清楚(包括轮对、安装和润滑),因此,仅从轴承制造方面考虑,认为磨削过程中的烧伤和接触不良是导致疲劳剥落的主要原因。
3 磨削烧伤和接触不良的原因分析
3.1 磨削烧伤
客车轴承滚道一般分4次磨削,磨削烧伤绝大部分产生于粗磨工序,产生原因主要有:(1)磨削余量过大,其中仅粗磨工序磨削余量就近50%;(2)设备基本是手动操作,存在操作工经验和熟练程度问题;(3)烧伤检验不能做到100%。
烧伤主要由两方面造成:(1)进刀量大,冷却不充分,出现面状烧伤;(2)在粗磨滚道工序试磨首件工件时,因空刀行程调整不当可能出现砂轮撞击工件的现象,导致极个别套圈工作表面产生磨削烧伤。据统计,粗磨后磨削烧伤率一般在0.2%左右。
粗磨存在轻微烧伤后,眼观不易发现,虽然经过后期磨削,但仍存在个别深烧伤层不能完全去除,滚道某一点的烧伤会导致此部位抗疲劳能力降低,轴承经过一段时间的运行后,在烧伤部位会形成疲劳剥落。
3.2 接触不良
接触不良主要是滚道锥度控制不好,出现漏检,在轴承使用中产生应力集中,导致一端载荷过大,最终造成疲劳剥落。
4 改进措施
针对上述疲劳剥落产生的原因,并结合实际生产情况,采取有针对性的工艺改进方法。
4.1 烧伤控制
(1)采用硬车代替粗磨工艺,杜绝磨削烧伤。
(2)增强细磨工序磨削酸洗工艺规范,每班次至少检5个产品。
(3)磨削工序中更换砂轮时,对全部车加工产品进行酸洗检查。
4.2 磨削形状控制
(1)终磨工序严格控制套圈滚道锥度在0.003 mm以内。
(2)装配前对滚道锥度进行100%检测控制,每班对滚道微观精度进行抽检。
(3)采用轮廓仪对终磨、超精过程的首件产品滚道微观精度进行检测。
另外,改进热处理工序以提高滚道硬度和抗疲劳强度。
5 结束语
对于铁路客车轴承要严格执行初磨内、外圈的生产工艺,推广采用硬车的工艺方法,减少由于磨削烧伤而导致的轴承滚道疲劳剥落现象,提高轴承的安全度。要对进行段修和厂修的客车轴承内、外圈进行无损检测,找出由于烧伤而提前疲劳的轴承,并采取措施,及时避免由于轴承疲劳剥落给铁路行车造成的危害,确保铁路运输和旅客的安全。