地铁轴箱用双列圆柱滚子轴承失效分析

夏仁善，宗晓明，张玉铃

（中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471003）

0 概述

目前国内地铁轴箱轴承多采用双列圆柱滚子轴承，广州地铁5号线采用日本进口的NSK 120JRF轴承，结构示意如图1所示。在应用中监测到温度异常情况，对其进行拆解后发现轴承润滑脂干涸，保持架断裂问题。地铁车辆轴箱轴承对列车的安全运营起着举足轻重的作用[1-3]。本文对轴承的失效原因进行了分析，从轴承宏观外貌、尺寸、润滑脂和损伤微观形貌等方面对NSK 120JRF失效轴承进行检验[4]，分析其失效原因，为同类问题的解决提供理论基础与应用经验。

图1 轴箱双列圆柱滚子轴承结构示意图

1 轴承检验

1.1 轴承外观检验

送样NSK 120JRF轴承外观如图2～5所示，从图中，可以看出：

图2 清洗前轴承外观

（1）轴承主要损伤为润滑脂变黑、变干和保持架断裂。

（2）结合轴承滚子、滚道接触痕迹，可判断轴承保持架未断裂的为B列，保持架断裂的为A列；

（3）轴承B列润滑脂干涸呈黑土状，保持架未断裂，内滚道存在多处小面积损伤痕，滚子外径面与内滚道对应位置存在周向磨损痕迹和压痕，外圈外侧滚道面与内滚道对应位置存在磨损痕迹，痕迹较滚子轻。

（4）轴承A侧润滑脂呈黑色油泥状，保持架断裂为4段，4粒滚子脱出，未断裂窗孔内径窗孔边角处大多存在裂纹，滚子和内、外滚道接触面无明显损伤和变色，仅见接触摩擦痕迹。

（5）轴承外圈外径面载荷区存在腐蚀痕迹，无明显粘着和变形。

（6）轴承润滑脂颜色呈炭黑色，推测润滑脂可能碳化或由外部污物进入，其余各零件及各工作面未见明显异常。

通过轴承外观检查，送样轴承主要失效为润滑脂变质和保持架断裂。

图3 清洗后轴承各零件

图5 清洗后保持架断裂位置形貌

1.2 轴承尺寸检测

由于轴承已经损坏，仅对轴承配合尺寸和保持架窗孔尺寸进行检测，结果如表1。通过检测结果分析，轴承相关尺寸无明显异常。

1.3 轴承外侧保持架探伤

对送检轴承未断裂保持架进行着色探伤，检查是否存在微裂纹。通过着色探伤检查，保持架未发现裂纹，如图6所示。

图6 未断裂保持架探伤检测

1.4 保持架断口和滚道损伤分析

采用线切割从送检轴承内圈B列滚道面上的损伤区域（图4）切取试样，并从断裂的保持架中选取磨损轻微的断口试样，将两个试样经超声波清洗和烘干后，依次放入JSM-6380LV扫描电镜中进行变倍观察，结果见图7～8。

图4 清洗后内圈滚道（左A右B）

图7 内圈B列滚道面上损伤区形貌

图8 保持架断口扩展区低倍形貌与疲劳裂纹形貌

由扫描电镜形貌可知：

（1）内圈B列滚道面上的损伤是在运转过程中外来硬质颗粒造成的表面挤压造成的。

（2）保持架局部断口形貌表明是其断裂模式为疲劳断裂，由于局部因过载形成解理断裂并在运转过程中逐步扩展。

1.5 轴承润滑脂检验

从送样轴承零件上对附带的润滑脂取样，发现铜含量均较高，分别为3.7%和4.5%，其余元素无明显异常。铜可能来源于外部也可能是轴承内侧保持架断裂产生。

2 检验结果及分析

通过上述检验，结果如下：

（1）轴承失效模式为润滑脂变质，A列保持架疲劳断裂，B列内圈滚道面硬质物侵入造成的挤压损伤以及由挤压伤引起的局部表面起源型剥落。

（2）结合轴承各部位及零件损伤程度，润滑脂失效最为严重，而B列内圈滚道面和滚子损伤较轻，结合B列内圈滚道面和滚子的损伤为挤压伤，可推测轴承内圈滚道面和滚子的损伤为后发失效。

（3）轴承润滑脂元素检验结果显示，轴承A、B侧润滑脂中铜含量均较高，A侧铜含量高于B侧应该是保持架断裂磨损所致，B侧铜含量也较高可能来自外部也可能来自保持架断裂磨损。轴承B侧润滑脂干涸，A侧润滑脂呈油泥状，都已完全失效，但B侧变质较A侧更严重，而保持架断裂为A列，推测润滑脂失效非保持架断裂引发。

（4）结合委托方提供的现场发现有轴承B侧密封处存在外界污染物入侵现象的信息，以及送样轴承B侧润滑脂较A侧变质更加严重和轴承滚子、滚道未见明显高温的现象，推测外部污染物进入轴承导致润滑脂失效，进而引发保持架断裂失效。

（5）通过电镜检查，轴承B列内圈滚道和滚子损伤为挤压、剥落和磨损，没有电蚀损伤特征。

3 结论

通过对失效轴承外观、尺寸、扫描电镜及润滑脂等检验，发现轴承失效原因是轴承外部污染物进入轴承导致润滑脂失效，进而引起轴承保持架断裂和滚道的损伤。