铁路货车轴承热轴典型故障分析及防范措施

刘春桥，杨忠良，刘吉远

(1.中国铁路济南局集团有限公司 济南西车辆段，山东 济南 250117；2.中国国家铁路集团有限公司 机辆部货车事业部，北京 100844)

铁路货车轴承热轴是货车轴承运行中较常见的故障，热轴故障轻则会导致列车停车、摘车、换轮，扰乱行车秩序，影响铁路货车运输效率，重则会发展成燃轴、热切轴等恶性事故，影响到铁路货车运输安全。因此，了解掌握铁路货车轴承热轴故障发生的规律，并采取相应的防范措施降低轴承热轴发生率，对提高货车运输效率，保障铁路货车运输安全具有重要意义。轴承密封罩脱出、滚子异常接触、内外圈滚道擦伤剥离、轴承组装质量不良及环状条纹等是典型的轴承热轴故障，本文将对上述几种典型轴承热轴故障的产生原因进行初步分析，并提出相应的改进措施及建议。

1 典型故障

1.1 油封组件故障

铁路货车轴承密封结构如图1所示，油封组件故障主要表现为轴承密封罩脱出或油封变形、破损(图2)。

图1 密封结构

图2 油封组件故障

1.2 轴承滚子故障

比较常见的轴承滚子故障主要有滚子大端、小端外径面局部接触异常，滚子球基面与内圈滚子引导面接触异常等，如图3所示。

图3 轴承滚子故障

1.3 轴承内部划伤、擦伤故障

轴承内部划伤、擦伤(图4)的原因一般是轴承内部有硬质颗粒杂质或轴承内部工作表面轮廓不良，局部有凸点，致使轴承运转过程中产生划伤、擦伤，造成局部摩擦过大从而导致轴承升温发热。

图4 轴承内部划伤、擦伤

1.4 轴承套圈擦伤、疲劳剥落故障

轴承套圈出现严重的擦伤和疲劳剥落(图5)在热轴故障轴承中并不常见，但其危害程度较大。套圈擦伤或疲劳剥落会严重破坏轴承滚道表面原有的轮廓形状和精度，同时大量脱落的金属颗粒会进一步加剧滚子和滚道之间的摩擦、划伤，导致轴承运转温度急剧升高。

图5 表面疲劳剥落的轴承套圈

1.5 轴承组装质量不良故障

轴承组装质量不良主要表现为各零部件的极限偏差组装导致轴承在运用过程中其内部工作面局部磨耗、密封件配合过盈量不当而脱出等，最终发生热轴故障。常见的极限偏差组装类型有内外圈滚道角度及滚子锥角、内外圈滚道素线和滚子外径素线凸度、内外圈滚道面及滚子外径粗糙度、同组滚子间球基面曲率、油封与轴承零件间配合尺寸等不合格。

1.6 轴承零件环状条纹故障

环状条纹是在轴承内外圈滚道面及滚子滚动面上出现的规则周向痕迹，是轴承运用中最为普遍的一种现象。就其缺陷程度而言主要有3类环形条纹:第1类环形条纹无手感，采用轮廓仪检测时无深度，只是波峰与波谷的差异，不应归属于缺陷；第2类环形条纹深度不大于0.025 mm，且条数不大于4条，对轴承性能和运用安全无影响，修复与否均可使用；第3类环形条纹深度大于0.025 mm，对轴承性能和运用安全有较大影响，不得再使用。

2 典型故障原因分析

2.1 油封组件故障原因分析

轴承在运行过程中，密封罩凸台从轴承外圈牙口凹槽脱出，外油封端面和前盖发生摩擦，导致温度升高。造成密封罩脱出的主要原因有密封罩制造质量不良、密封罩和外圈牙口面配合不当、密封罩压装偏斜或变形等。密封罩制造质量不良主要表现在密封罩凸台尺寸不合格、配合面椭圆度超差、配合面尺寸不合格及密封罩变形等。密封罩和外圈牙口面配合不当是指配合过盈量太小或太大，当过盈量太小时，密封罩与外圈牙口的摩擦锁紧力不足，在运行过程中，由于振动及运转离心力作用，导致密封罩脱出；当过盈量太大时，在压装密封罩过程中，密封罩凸台有可能被局部切掉(图6)，导致密封罩凸台和牙口凹槽间的锁紧力不够，造成密封罩脱出。密封罩压装偏斜或变形是由于在压装密封罩过程中上下模具不同心或倾斜，造成密封罩和牙口圆周接触不充分，导致密封罩脱出。

图6 密封罩凸台被部分切掉

油封变形、破损后造成内外油封间发生异常接触，二者相互摩擦发热导致轴承运行过程中温度升高。产生油封变形、破损的主要原因有内外油封组件压装质量不良、油封制造质量不良、运输防护不当及轴承运行中受异常外力等。内外油封组件压装质量不良是由于压装模具或支撑平台倾斜，导致内油封压入密封座的位置不均匀，外油封与密封罩贴合间隙过大以及油封变形、局部过压、翻皮等；油封制造质量不良主要由于橡胶与骨架硫化粘结不牢、修边深度及毛刺高度处置不当、油封表面有凹凸缺陷等；运输防护不当主要是指野蛮装卸、挤压空间等。

2.2 轴承滚子故障原因分析

滚子和滚道的正常接触位置应该是滚子中部区域。然而部分轴承在运用过程中，其滚子接触区域会发生异常偏离，滚子运转出现偏斜现象，致使滚子和滚道的接触区域产生过大的滑动摩擦，导致轴承温度升高，反映为滚子和滚道面出现高温变色，如图7所示。

图7 滚子和滚道接触示意图

造成滚子故障的原因主要有：滚子外径表面对数曲线形状不良，局部有“凸凹”或凸度中心偏移量超差，导致滚子和滚道在受力接触过程中，滚子表面变形不均匀，局部异常受力过大而打滑，局部滑动摩擦力增大使轴承内部温度升高； 滚子外径锥度超差造成滚子表面和滚道接触异常，锥度太大容易使滚子大端和滚道异常接触，锥度太小容易使滚子小端和滚道异常接触，均使轴承内部温度升高； 滚子端面球基面曲率超差或套圈挡边角度超差，使滚子和套圈挡边接触位置偏外或偏内，导致滚子在运转过程中产生倾斜，局部摩擦力过大，造成轴承异常发热； 偏载导致轴承内部单侧受力过大，使滚子球基面与内圈滚子引导面、滚子外径面与滚道面产生异常摩擦造成轴承温度升高。

2.3 轴承内部划伤、擦伤故障原因分析

造成轴承内部划伤、擦伤的具体原因主要包括：轴承零配件清洗质量不良；轴承装配间工作环境落尘量不达标；清洗介质防护不到位或更换不及时；注入的润滑脂在使用过程中受到异物污染；轴承组装工装的清洁度不良或存在金属毛刺，在轴承组装过程中作业不当，造成工作表面产生局部碰凸点。另外轴承零件非磨削面的车削积屑瘤、倒角毛刺，油沟槽残留有清洁介质结晶颗粒或探伤磁粉等也是造成轴承内部划伤、擦伤的重要因素。

2.4 轴承套圈擦伤、疲劳剥落故障原因分析

轴承套圈擦伤和滚道表面疲劳剥落的原因比较复杂，常见的原因主要包括：压痕扩展产生的疲劳剥落(压痕是由于紧急制动、钢轨接触不良或轮对踏面严重擦伤时，使轴承受到瞬时超过其承载能力的重冲击载荷，滚子压进滚道形成的塑性变形)；车辆紧急制动导致的轴承滚道表面擦伤；轴承润滑不良，轴承材料缺陷，轴承热处理质量不良，轴承加工过程中表面烧伤、磨伤、淬火裂纹及磨削裂纹等。

2.5 轴承组装质量不良故障原因分析

铁路货车轴承采用大批量工业化生产，考虑到当前工艺装备加工精度的经济性，产品图样设计的某些精度指标往往较为宽泛。轴承零件如果仅仅满足图样要求而不加以内控，且不进行选配组装，就会有一定比例的轴承出现极限偏差组装现象。轴承内部零件出现极限偏差组装时，轴承内部各工作表面间易出现局部接触、受力及偏磨等情况，导致轴承在运用中温度升高。

2.6 轴承零件环状条纹故障原因分析

轴承零件环状条纹故障原因有以下几种情况：无手感的环形条纹主要是较大的粗糙度波峰以及滚子运转中与保持架窗梁的接触等所致；同一列滚子每一个滚动面和与其内圈或外圈接触的滚道面上存在间距、形貌吻合的环形条纹，其形成原因主要是由于机械加工形成的内外圈滚道表面轮廓形状不良及轴承清洁度不良等造成的；在一个或多个滚子滚动面上存在不等条数、不同轻重程度的环形条纹，主要是由于保持架窗梁侧面有玻璃纤维外漏、凸点毛刺或异物镶嵌等所致。

3 防范措施与建议

轴承发生热轴的特征和原因非常复杂，每一起热轴故障都有自身的特殊性，需要结合轴承运用信息及现场实际情况进行详细分析，查找故障原因并采取有效的预防措施。总的来说，降低热轴故障率需要在提高轴承零配件造修质量、加强配件选配组装质量、提高清洁度、加强外购配件质量和储运管理、提高设备工装性能等方面采取综合措施，标本兼治。

3.1 零配件造修质量方面

(1) 提升轴承内圈滚子引导面制造质量，合理控制其角度范围，避免角度过小时受力异常导致轴承卡滞情况，控制其表面粗糙度，在终磨削阶段增加超精工艺。

(2) 优化滚子超精工艺，改进滚子凸度对数曲线形状，保证凸度中心偏移量，提高滚子凸度下偏差值，保证轴承旋转性能。

(3) 提高滚子球基面磨床的加工精度，控制滚子球基面质量，确保同组滚子球基面曲率的一致性。

(4) 规范控制机床加工参数、磨削进给量、磨削冷却性能及磨削液流量等，控制磨削烧伤及磨削裂纹情况。

(5) 对精磨和超精工序用的砂轮、油石进行合理选型，提高精加工后产品的精度和表面质量。

(6) 优化改进油封硫化模具，提高定位精度，防止硫化过程中骨架产生位移和变形。增大钢骨架表面防锈胶状物的喷涂面积，提升喷涂和磷化质量，提高钢骨架的防锈及防腐性能。

(7) 严格控制密封罩外径尺寸，合理选配密封罩和牙口的配合过盈量。选择更合适的外圈牙口凹槽加工刀具，优化车削程序，保证密封罩凸台与外圈牙口凹槽的锁紧力。

(8) 加强磷化后内外圈滚道及滚子引导面粗糙度的控制，降低轴承运转中的摩擦热。

(9) 热处理后对内圈采取喷砂或打光工艺，清除内圈油沟、倒角及外径的氧化皮、金属毛刺等附着物。

3.2 配件选配组装质量方面

(1) 对内外圈滚道角度、垂直差和滚子角度进行合理内控或选配组装，避免出现极限偏差组装。

(2) 对保持架外观质量进行全数检查，优化内圈组件压装工艺方法，保证内组件组装时不产生磕碰伤、挤压等现象。

(3) 优化密封罩外径和外圈牙口尺寸选配方案，密封罩组装前，全数测量牙口尺寸及凸台宽度、高度，并进行合理组配。

(4) 压装油封前检查压装设备上下压装胎具的同心度、压力稳定性、压装速度、支撑平台的平面度及水平度等，结果应符合要求。

(5) 规范轴承轴向游隙调整、中隔圈选配作业标准，防止更换中隔圈过程中滚子对外圈滚道的磕碰伤。建议优先采用自动选配中隔圈、调整轴向游隙的合套机。

(6) 制定内控标准，尽量缩小中隔圈高度尺寸的分组间隔，提高中隔圈两端面的平行差精度，合理精确控制轴承轴向游隙。

3.3 清洁度方面

(1) 对密封罩、中隔圈、密封座与套圈进行分类清洗管理，提高各零件的清洁度。

(2) 大修轴承滚子装配前应对球基面凹穴进行重点擦拭清洗，提高滚子的清洁度。

(3) 增加清洗机监控检测频次，及时更换过滤网和滤芯，定期清理储液箱，更换清洗液，保证清洗液的清洁度。

(4) 清洗设备宜增加磁分离装置，可吸附清洗介质中的微小金属颗粒、粉末等，对磁粉探伤后的清洗尤为重要。

(5) 采用罩杯式密闭系统、轴承高速旋转、清洗液高压喷淋的清洗方式，避免在清洗过程中发生异物进入轴承的情况。

(6) 合理控制清洗介质的配比，在保证清洗效果的前提下，避免浓度过高导致工件沟槽处产生结晶残留现象。

(7) 更换注脂工序中传统油脂储存设备，采用新型注脂设备，直接将原装桶中的油脂压入轴承，一桶一更换，避免油脂在添加过程中受到污染。

3.4 外购配件质量和储运管理方面

(1) 加强外购配件的质量抽查及管理，杜绝不合格配件的使用。

(2) 加强油封、保持架等橡塑配件的库房管理，要做到防尘、防潮、防阳光直射，远离热源，严禁与酸、碱、油类及有机溶剂等同库房存放。

(3) 加强对轴承及配件运输过程的控制，规范包装和物流过程，避免运输与搬运过程中的磕碰、甩扔及挤压现象，防止造成密封罩变形或脱出、油封破损等。

3.5 设备工装性能方面

(1) 加强工装设备的日常保养维护，杜绝设备“带病”作业。

(2) 提高设备的自动化程度，用机控代替人控。

(3) 采用轴承零配件的专用防护料框，做好产品防护，防止出现磕碰伤。

(4) 在关键工序购置先进的工装设备，实现“以设备保工艺，以工艺保质量，以质量保安全”的目标。