HXD3型电力机车SEA107型牵引电机NU330轴承内套出现裂纹的原因分析

李　霞

(郑州铁路局　洛阳机务段， 河南洛阳 471002)



HXD3型电力机车SEA107型牵引电机NU330轴承内套出现裂纹的原因分析

李霞

(郑州铁路局洛阳机务段， 河南洛阳 471002)

对洛阳机务段HXD3机车牵引电机NU330轴承运用中的问题进行了调查，对调查中还未出现故障的轴承内套滚道面出现的初始裂纹进行了全面材料检验，分析认为该轴承早期失效的原因是轴承内圈滚道面局部承受了较高的接触应力所致。

HXD3型电力机车; NU330轴承; 内圈; 裂纹; 原因分析

洛阳机务段配属HXD3机车266台配属以来共发生9台机车11台牵引电机轴承烧损，打开齿轮箱盖后发现传动端轴承外油封过热或外窜。为防止事故，洛阳机务段通过开齿轮箱盖检查发现传动端轴承外油封过热或外窜的共14台机车、19台电机。

2014年6月洛阳机务段检查发现HXD3 0830机车M3牵引电机传动端轴承外油封外圆周过热见图1(a)。为调查轴承故障原因，洛阳机务段和大连机车车辆有限公司协调全部更换6台牵引电机，从M1到M6电机编号分别为0906039、0912001、0908036、0905033、0906032、0905001，电机型号均为SEA107型，2010年5月新造后走行610 459 km，2013年12月2年检后走行60 900 km，配装轴承为日本NTN轴承。返厂后M3电机拆解，NU330轴承内套上有多处不规则破损，破损面中间有清晰的轴向裂纹，内套上有多处不规则坑状剥离见图1(b)。尤其应该注意的是，运行正常、传动端轴承外油封正常的M4位0905033号牵引电机、M5位0906032号牵引电机的NU330轴承内套上也出现了极其细微的初始轴向裂纹见图2。

图1　HXD3 0830机车M3牵引电机传动端NU330

图2　HXD3 0830机车M4(a)、M5(b)牵引电机传动端NU330轴承内套裂纹

2014年8月对该两套轴承进行检验。目的是观察轴承内圈宏观形貌，确定内圈伤损特征，打开轴承内圈裂纹，观察断口形貌寻找裂纹源。扫描轴承断口面，并对其裂纹源区域进行微观检验，在裂纹区域及裂纹源附近取金相样，观察裂纹区域及裂纹源处的显微组织。同时对送检轴承进行化学成分、硬度、显微组织检验。根据检验分析结果，对轴承内圈伤损原因进行多方面分析。

1　对两套轴承的检验内容

(1)对轴承的宏观观察

清洗两套轴承后，其外观形貌如图2所示。M5牵引电机NU330轴承内圈滚道面存在 1 条裂纹，该裂纹长约20 mm见图 2(b)，M4牵引电机NU330轴承内圈滚道面存在2条裂纹，裂纹最长处约35 mm，两裂纹间隔最宽处约10 mm见图 2(a)。两轴承内圈滚道面均可见多条磨痕，部分有手感。M5牵引电机轴承内圈裂纹处可见1条明显的磨痕，M4牵引电机轴承内圈裂纹处有两条轻微磨痕见图3、图4。采用4%的硝酸酒精清洗两轴承裂纹，经酸洗后轴承内圈滚道面磨痕清晰。但裂纹处未发现磨削烧伤痕迹。两轴承其余组件均未见损伤。

(2)断口宏微观检验

采用线切割方法切取轴承裂纹区域小样，将裂纹打开，M5牵引电机NU330轴承内圈裂纹的断口形貌如图3所示，M4牵引电机NU330轴承内圈轴承裂纹的断口形貌如图4所示。

图3　M5轴承内圈裂纹打开形貌

图4　M4轴承内圈裂纹打开形貌

两轴承内圈裂纹断口均由疲劳断口和脆性断口组成，在疲劳断口区可见明显的贝纹状疲劳扩展弧线，根据疲劳扩展弧线走向判断断口裂纹源均位于内圈滚道面，且均有明显磨痕。取两轴承断口面，用扫描电镜观察断口裂纹源，检查是否有腐蚀裂纹或其他异常形貌，同时利用能谱仪检查断口裂纹源处是否有非金属夹杂物，两轴承断口裂纹源的电镜形貌如图5所示，能谱检验结果如图6所示。由图5、图6两轴承断口裂纹源处均未发现晶间腐蚀裂纹及残留的非金属夹杂物。但两轴承内圈裂纹源处均可见一凹坑形貌。

综合上述对两套轴承内圈裂纹断口的宏、微观检验可知，两轴承裂纹起裂源均位于滚道面处且伴有磨痕。两轴承裂纹源处未发现腐蚀及夹杂物残留痕迹，故由腐蚀、非金属夹杂物引起轴承起裂的可能性小。但两轴承内圈裂纹源处均可见一凹坑形貌，推测两轴承可能承受了异常载荷作用(如过高的冲击力等)。异常载荷使轴承内圈滚道面局部(磨痕处)承受了较高接触应力造成凹坑(冲击坑)，诱发材料疲劳，疲劳裂纹在运动载荷作用下持续扩展，最终导致轴承内圈宏观裂纹。

图5　两轴承断口裂纹源的电镜形貌

图6　两轴承内圈裂纹源处能谱检验结果

(3)轴承内圈化学成分检验

轴承内圈的化学成分是SUJ2轴承钢，SUJ2轴承钢的化学成分与国内GCr15轴承钢的化学成分相近，均为高碳铬轴承钢。SUJ2轴承钢中十种元素的含量分别是C:0.95～1.10,Si:0.15～0.35,Mn:≤0.50,Cr:1.30～1.60,Mo:≤0.08,P:≤0.025,S:≤0.025,Ni:≤0.25,Cu:≤0.25,Ti:≤0.003(wt%)。国内GCr15轴承钢中十种元素的含量成分别是C:0.95～1.05、Si:0.15～0.35、Mn:0.25～0.45、Cr:1.35～1.65、Mo:≤0.10、P:≤0.025、S:≤0.015、Ni:≤0.25、Cu:≤0.30、Ti:≤0.003(wt%)。按照 GB/T 4336-2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法》的要求对轴承内圈的化学成分进行检验，各轴承化学试样取自金相样，检验结果均在范围内。

(4)硬度检验

按照 GB/T 230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分》的要求对送检轴承内圈的洛氏硬度进行检验，两轴承芯部及表面的硬度均进行检测。两轴承内圈芯部硬度取轴承纵截面且两面磨平，显示洛氏硬度检验结果HRC均在57.5～62范围内。

(5)显微组织检验结果

取两套轴承内圈裂纹源小样，采用光学显微镜对两裂纹源处的金相组织进行观察。结果两轴承裂纹源处的金相中未见磨削烧伤等异常组织存在，其显微组织仍属高碳铬轴承钢正常的淬火+回火组织。

取两套轴承内圈裂纹区域小样，采用光学显微镜对两内圈裂纹区域进行观察。结果两轴承裂纹区域未见脱碳，故排除其为原始制造裂纹的可能。测量两轴承裂纹的深度，其中M5裂纹最深处约为 1.8 mm，M4轴承裂纹深度约为 2 mm。

参考JB/T 1255-2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》，采用光学显微镜分别观察轴承内圈滚道面下3 mm处的屈氏体组织、显微组织和网状碳化物组织，参考国内标准技术条件，轴承内套的屈氏体组织、显微组织、网状碳化物组织级别分别为1～2、1～3、≤2.5，两套轴承组织评定分别为1、2、1.5(1)级，在国家标准范围内。轴承内圈组织级别符合要求。

参考GB/T 18254-2002《高碳铬轴承钢》标准评定两套轴承内圈的非金属夹杂物级别，评级结果，轴承内圈的非金属夹杂物级别符合要求。

2　结论

综上所述，两套轴承其伤损形式为内圈滚道面处存在裂纹，排除原始制造裂纹、腐蚀及夹杂物残留痕迹，从两轴承内圈裂纹源处的凹坑形貌，结合轴承实际运用情况推断，推测两轴承承受了异常载荷(如过高冲击力等)。异常载荷使轴承内圈滚道面局部承受了较高接触应力造成滚道表面损伤(如冲击坑)，诱发材料疲劳开裂，疲劳裂纹在运用载荷持续作用下扩展，最终形成宏观裂纹。

确定了轴承裂纹的根本原因是轴向异常载荷后，进一步分析轴向异常载荷的来源。其一是轴承设计未考虑中国国情，比如线路上坡道和弯道时机车牵引电机轴承的振动和迷宫槽的干涉，原设计图在轴承室迷宫处未设计倒角，日本的加工工艺和线路可能运用正常，但国内就会出问题。其二是轴承拆卸组装工艺未控制好。经排查发现许多拆卸组装工艺不良问题，如组装作业人员测量轴承室尺寸时存在作业不规范。这些都是可能引起轴承安装后不平行、产生轴向异常载荷导致故障的因素。

针对轴承异常载荷的来源，制定了相应改进措施，如改进轴承内封环与轴承座的装配质量，保证装配后内封环能灵活转动，使内封环在轴承烧损后可以转动支撑轴承，轴承座与内封环两配件装配后进行深度测量，4点十字测量最大值、最小值的差值不应大于0.02 mm，保证安装后轴承的内套、内油封等轴承配件的平行度等。措施实施后，轴承的故障得到了有效的控制。

[1]张曙光.HXD3型电力机车[M]. 北京:中国铁道出版社，2010.

[2]龙洙，权中太.铁路机车滚动轴承手册[M].北京:中国铁道出版社，1995.

[3]GB/T 4336-2002 碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法[S].

[4]GB/T 230.1-2009 金属材料 洛氏硬度试验[S].

[5]JB/T 1255-2001 高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件[S].

[6]GB/T 18254-2002 高碳铬轴承钢[S].

Cause Analysis of NU330 Bearing Inner Sleeve Crack of SEA107 Traction Motor for HXD3 Electric Locomotive

LIXia

(Luoyang Locomotive Depot, Zhengzhou Railway Bureau, Luoyang 471002 Henan, China)

In this paper, the traction motor NU330 bearings' application problems of HXD3 electric locomotives allocated in Luoyang Locomotive Depot are investigated, the comprehensive material inspection is conducted for the initial crack of no-fault bearings inner raceway surface, and the cause of bearing premature failure is confirmed that the bearing inner ring raceway surface has suffered higher contact stress.

HXD3 electric locomotive; NU330 bearing; inner ring; crack; cause analysis

1008-7842 (2016) 02-0067-03

�)女,高级工程师(

2015-11-16)

U260

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.16