牽引電機(jī)是機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)中極為重要的部件,牽引電機(jī)中的軸承故障易造成機(jī)車無(wú)法正常牽引和區(qū)間停車,嚴(yán)重影響機(jī)車的運(yùn)行安全,因此保證軸承質(zhì)量是確保機(jī)車良好運(yùn)行的必要條件之一。牽引電機(jī)軸承故障處置時(shí)須落輪,返工量大,嚴(yán)重影響機(jī)車的正常交付,延長(zhǎng)機(jī)車檢修停止時(shí)間,并造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。某公司在對(duì)某型機(jī)車進(jìn)行大修正線試驗(yàn)時(shí),先后發(fā)現(xiàn)5臺(tái)牽引電機(jī)的6個(gè)軸承發(fā)生預(yù)報(bào)警故障,查閱故障牽引電機(jī)檢修記錄發(fā)現(xiàn),故障電機(jī)為2021年11月修理完成,2022年3月裝車使用。故障軸承的裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

圖  1  故障軸承的裝配結(jié)構(gòu)示意

每臺(tái)牽引電機(jī)上使用了兩種軸承,兩種軸承均為圓柱滾子軸承,均主要由內(nèi)圈、外圈、保持架、滾子等結(jié)構(gòu)組成,屬于可分離式軸承,滾柱數(shù)量均為14個(gè)。傳動(dòng)側(cè)軸承的外圈為雙擋邊,內(nèi)圈為無(wú)擋邊。換向側(cè)軸承的外圈為雙擋邊,內(nèi)圈為單擋邊。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了軸承故障的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

對(duì)故障電機(jī)進(jìn)行拆檢,發(fā)現(xiàn)軸承外圈滾道中部有一環(huán)形痕跡,擋邊無(wú)異常(見圖2)。內(nèi)圈滾道上有一道傷痕,為黏連損傷,位置為滾道的中部(見圖3)。 

圖  2  軸承外圈宏觀形貌

圖  3  軸承內(nèi)圈宏觀形貌

對(duì)軸承的滾柱進(jìn)行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)其中一根滾柱外表面有一排點(diǎn)狀缺陷,缺陷邊緣有不規(guī)則形狀的坑狀缺陷；滾柱外表面缺陷在滾柱外徑中部,與內(nèi)圈滾道的黏連損傷位置、外圈滾道環(huán)形痕跡相對(duì)應(yīng)(見圖4)。滾柱表面坑狀缺陷的三維形貌如圖5所示,滾柱外徑最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差0.24 mm。 

圖  4  軸承滾柱的宏觀形貌

圖  5  滾柱表面坑狀缺陷的三維形貌

1.2   化學(xué)成分分析

分別在軸承外圈、內(nèi)圈和滾柱上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：軸承外圈、內(nèi)圈和滾柱的化學(xué)成分均符合GB/T 18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》對(duì)GCr15鋼的要求。 

1.3   尺寸和幾何精度檢測(cè)

對(duì)軸承進(jìn)行尺寸和幾何精度檢測(cè),可知軸承的尺寸公差及幾何公差符合GB/T 4199—2033 《滾動(dòng)軸承 公差 定義》的要求。對(duì)軸承的內(nèi)圈滾道圓度、內(nèi)圈滾道直線性、外圈滾道圓度、外圈滾道直線性、外圈擋邊粗糙度等分別進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果均合格。 

1.4   硬度測(cè)試

依據(jù) GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)軸承進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：軸承的硬度符合TB/T 2591—2007 《鐵路機(jī)車滾動(dòng)軸承訂貨技術(shù)條件》的要求。 

1.5   金相檢驗(yàn)

按照GB/T 25711—2010 《滾動(dòng)軸承鐵路機(jī)客車軸承》要求分別對(duì)軸承內(nèi)圈、外圈、滾子進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：內(nèi)圈3 mm表層組織為屈氏體,內(nèi)圈內(nèi)部組織為貝氏體,內(nèi)圈可見網(wǎng)狀碳化物；外圈3 mm表層組織為屈氏體,外圈內(nèi)部組織為貝氏體,外圈可見網(wǎng)狀碳化物；滾子3 mm表層組織為屈氏體,滾子可見網(wǎng)狀碳化物,內(nèi)圈、外圈、滾子的組織均符合JB/T 1255—2001 《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》的要求。 

圖  6  軸承的顯微組織形貌

使用線切割方法在坑狀缺陷處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：坑狀缺陷處含有馬氏體,表明該區(qū)組織發(fā)生了淬火。結(jié)合滾柱表面缺陷呈彗星狀形貌,可確定坑狀缺陷為電蝕熔融凹坑。 

圖  7  坑狀缺陷處微觀形貌

依據(jù)GB/T 10561—2015 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)軸承的非金屬夾雜物進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如表3所示。由表3可知：軸承外圈、內(nèi)圈、滾子的非金屬夾雜物均符合GB/T 18254—2016的要求。 

1.6   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在坑狀缺陷處取樣,利用掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖8所示,坑狀缺陷附近顯微組織未發(fā)生變化,坑狀缺陷中可見大量裂紋,表面殘余大量氣孔。 

圖  8  坑狀缺陷的SEM形貌

對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖9所示,發(fā)現(xiàn)坑狀缺陷成分為純鐵。 

圖  9  坑狀缺陷的能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,軸承加工制造的尺寸精度、幾何精度及材料熱處理工藝均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。滾子外徑表面有電蝕融坑,內(nèi)圈滾道有黏連擦傷痕跡,滾子外表面有電蝕融坑凸起。軸承外表面的電蝕融坑造成軸承在工作中發(fā)生異常振動(dòng),導(dǎo)致機(jī)車檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。 

結(jié)合牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理,判斷可能是軸電壓使?fàn)恳姍C(jī)軸承產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。軸電壓的產(chǎn)生原因?yàn)殡姍C(jī)電樞磁路不均勻,電樞轉(zhuǎn)動(dòng)磁阻變化,磁通產(chǎn)生脈動(dòng),脈動(dòng)部分磁通切割轉(zhuǎn)軸,在轉(zhuǎn)軸的兩端產(chǎn)生軸電壓。資料顯示,設(shè)計(jì)和運(yùn)用條件正常的電機(jī)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)軸兩端只會(huì)產(chǎn)生很小的電位差,只有當(dāng)軸電壓達(dá)到某一值時(shí)才會(huì)引起電蝕[1],電壓小于0.5 V時(shí)不會(huì)發(fā)生電蝕。ZD109C型牽引電機(jī)為成熟產(chǎn)品,且機(jī)車運(yùn)行環(huán)境未發(fā)生變化,可以排除該種可能。此外,在電機(jī)試驗(yàn)時(shí),直流牽引電機(jī)電樞繞組與電樞鐵芯之間存在分布電容,在采用可控硅整流電源后,電流中的脈動(dòng)分量在電樞繞組和電樞鐵芯間產(chǎn)生電容電流,導(dǎo)致軸與地之間產(chǎn)生軸電壓。該電機(jī)采用兩臺(tái)可控硅整流電源,故不會(huì)產(chǎn)生該問題。 

外部輸入電流也會(huì)使軸承發(fā)生電蝕現(xiàn)象。排查焊接作業(yè)過程發(fā)現(xiàn),牽引電機(jī)組裝、輪對(duì)電機(jī)組裝中均有焊接部分,施焊過程中,焊機(jī)地線直接搭接在牽引電機(jī)定子殼體上。由于定子外殼殘存著銹皮和油漆,造成地線接觸不良。該批牽引電機(jī)靜置的時(shí)間較長(zhǎng),軸承下方滾柱與內(nèi)、外圈滾道間受到轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量產(chǎn)生的壓力,潤(rùn)滑脂被擠出接觸面,導(dǎo)致軸承內(nèi)油膜不均勻；牽引電機(jī)定子為鑄造件,其組織致密性較鍛件差,根據(jù)電流路徑的優(yōu)先走法,施焊電流會(huì)沿電阻較小的地方選擇通路,當(dāng)?shù)鼐€接觸不良時(shí),軸承成為焊接電流通路,造成軸承電蝕。 

3.   結(jié)論與建議

軸承故障的原因?yàn)椋籂恳姍C(jī)組裝時(shí),焊接作業(yè)過程中地線搭接不良,造成軸承產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象,最終導(dǎo)致軸承發(fā)生故障。 

組裝牽引電機(jī)時(shí),必須通過試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行或人為盤動(dòng)轉(zhuǎn)子才能保證滾柱和內(nèi)、外圈滾道間的潤(rùn)滑脂均勻,形成穩(wěn)定油膜,起到良好絕緣作用。組裝后,可以制作專用短接線,對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行短接,以保證定子和轉(zhuǎn)子等電位。對(duì)牽引電機(jī)施焊時(shí),建議將落車臺(tái)位鋼軌與焊接地臺(tái)用導(dǎo)線連接起來,并使用專用導(dǎo)線將施焊地臺(tái)與電機(jī)定子連接起來,實(shí)行接地雙保險(xiǎn)。 

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)