高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策.pdf

文章编号:():./.高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策耿 军顾 磊(中车南京浦镇车辆有限公司江苏 南京)摘 要:某型号高铁电机服役一年后发生异响经拆解检查时发现电机轴承内圈滚道面存在损伤经宏、微观形貌检查、材质检测和微观组织表征该轴承内圈的轴向缺陷为伪布氏压痕并结合轴承装配、服役工况对其失效原因和改善措施进行了讨论分析 得出结论:电机轴承径向游隙过小是产生伪布氏压痕失效的主要原因建议在安装轴承时严格控制游隙大小避免类似问题产生关键词:高铁电机陶瓷轴承伪布氏压痕失效分析中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:耿军顾磊.高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策.轨道交通材料():.收稿日期:作者简介:耿 军()男本科工程师从事材料检测研究 引言轴承是机械设备中必不可少的关键支撑部件可以减少机器旋转部件和固定部件之间的摩擦因而广泛应用于汽车、航天等工业领域 一旦轴承在服役过程中发生异常失效将不利于运转系统的可靠性并且造成不小的经济损失 因而不少研究人员讨论了轴承失效的问题熊承刚等分析了挖掘机上滚柱轴承在服役时失效断裂的原因轴承内滚柱装配空间狭小裕量不够在运转时彼此撞压在轴承外圈滚道面产生较大的组织应力导致开裂 魏国亮等对试车过程中断裂失效的滚珠轴承进行调查超标的脆性夹杂物致使滚珠发生脆性断裂 郭占兵等则报道了由润滑不良导致的轴承失效事故润滑不良导致轴承滚道面发生严重的磨损失效 基于有限元分析蔡家斌等对失效的调心滚子轴承作出了分析并针对承载能力与润滑性能两方面提出建设性措施 在实际运行过程中轴承还可能出现剥落的现象在杜风贞等的研究中高铁轴箱轴承在运行时发生的早期剥落疲劳失效的根源在于轴承游隙出现异物同时外圈不当的热处理工艺也促进了疲劳的扩展另外因较大的轴向载荷、接触异常、打滑以及外部污染物等造成剥落最终使轴承失效的案例也被报道 而在高压电气环境下轴承会发生电蚀失效 并由初步的点蚀逐步发展为波纹状或搓衣板状的凹槽由此轴承的性能遭到破坏并失效 关于轴承的伤损问题不能一概而论需要针对失效的情形开展全面的分析明确轴承失效原因不断优化结构以提高可靠性在本研究中某型号高铁电机在服役期间发出异响拆解检查时发现电机轴上圆柱滚子轴承发生失效其内滚道面存在表面损伤通过对损伤形态的观察和分析获得了该电机轴承损伤特征 结合金相分析、材质分析和硬度测试等理化分析手段得出该电机轴承失效的原因并提出相应的规避措施 形貌检查.宏观形貌检查失效的圆柱滚子轴承由轴承外圈、保持架、圆柱滚子与轴承内圈组成内圈通过过盈配合连接到车厢转向架内的电机主轴上外圈与轴承座孔配合轴承座与箱体或其他支撑件连接 其宏观形貌如图 所示 其中轴承外圈表面涂覆陶瓷绝缘层 拆解检查发现其内滚道面存在表面损伤图 显示了轴承内圈滚道面损伤区域宏观形貌目视检查观察到轴承表面存在多条均匀分布的平行条带状轴向压痕压痕分布位置与滚柱相对应 同时内滚道面还存在两条较宽的环向磨损条带条带表面较为粗糙凹凸不平且无光亮色泽.微观形貌表征为进一步获取损伤信息使用线切割切取电机轴承内圈试样经乙醇超声清洗后放入扫描电镜中试验检测 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 圆柱滚子轴承宏观形貌图 轴承内圈滚道面损伤区域宏观形貌观察 图 为轴承内圈滚道面微观形貌轴向压痕中间部分较宽两端逐渐变细底部光滑呈纺锤形以碾平形貌为主附近则存在不规则犁沟形貌 图 是内圈滚道面正常区域微观形貌可以观察到许多规则犁沟形貌加工痕迹呈平行分布此为正常加工痕迹并不会影响轴承性能 图 是内圈滚道面环向磨损条带微观形貌该区域存在大量亮斑通过电镜进行放大观察该亮斑为浮云状斑点呈自由凝固状并存在间隙与孔洞 对内圈滚道面浮云状斑点做半定量能谱分析如图 所示 结果表明除基体元素外 元素含量略高可以推断浮云状斑点区域发生了氧化反应氧化的形成是由内圈滚道面与滚子接触面的高温摩擦导致的图 轴承内圈滚道面轴向压痕处微观形貌图 轴承内圈滚道面正常区域微观形貌图 轴承内圈滚道面环向磨损条带微观形貌图 轴承内圈滚道面附着物能谱检查结果 理化性能检测.材质分析.化学成分分析对轴承内圈基体进行化学成分分析其结果如表 所示可以看出其化学成分符合/的标准.非金属夹杂物检查夹杂物的尺寸、形态与金属材料的冶金质量息息相关它作为独立相存在于金属材质中可以破坏耿 军顾 磊 高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月表 轴承内圈基体化学成分(质量分数)试样轴承内圈.的技术要求.基体连续性与均匀性 图 是轴承内圈非金属夹杂物的微观形貌 根据/评定该类非金属夹杂物为硫化物类其夹杂物级别为:.表明了材料的纯净度较好图 非金属夹杂物微观形貌.金相分析.表面涂覆层金相分析从失效轴承外圈以及内圈上切下试样进行金相分析图 显示了该电机轴承外圈表面的金相组织可以观察到外圈表层有一层深约 的深灰色层为涂覆在表面的陶瓷层对该涂层进行半定量能谱测试如图 所示该涂层的主要成分为氧化铝而外圈基体组织为马氏体碳化物呈颗粒状如图 所示图 轴承外圈表面陶瓷层金相组织.轴承内圈金相分析图 为轴承内圈基体金相组织主要由马氏体与颗粒状碳化物组成马氏体呈隐针状颗粒碳化物弥散分布在基体中 图 是内圈表面损伤区域轴图 轴承外圈表面陶瓷层能谱检查结果图 轴承外圈基体金相组织向截面金相组织局部表面观察到较薄的斑点状白色层深约 这是内滚道面与滚子的接触面在高温下产生了组织转变具有二次淬火马氏体的结构特征 此外损伤区域表面还存在起伏不平的圆弧形凹坑为滚子与滚道面接触区域轴向压痕的截面凹坑底部组织和基体一致未见氧化、脱碳、微裂纹 金相分析结果表明该内圈热处理工艺正常进行热处理质量未见异常.硬度测试通过维氏硬度计对轴承外圈与内圈进行硬度测试测试结果如表 所示 外圈涂层硬度平均值为 .外圈基体硬度平均值为 而内圈表面与基体硬度基本一致耿 军顾 磊 高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 轴承内圈基体金相组织图 轴承内圈损伤区域截面金相组织表 失效的电机轴承外圈与内圈硬度测试结果.试样维氏硬度硬度平均值外圈涂层 外圈基体内圈表面内圈基体 分析与讨论轴承外圈表面存在深约 的涂覆层涂覆层为氧化铝陶瓷层可以有效地避免轴承发生电蚀但难免会遭受恶劣或非正常服役环境因此需要对涂层的绝缘性能做定期的考量过电、漏电的电气行为导电介质等可能存在的风险也需要及时规避 对于提高轴承的绝缘性问题可在轴承内外圈表面以及滚动体的表面都涂覆陶瓷绝缘涂层或采用绝缘更优的材料进行涂覆 而电机轴承内圈受损面则分布了多条相互平行且等间距的轴向压痕且压痕发亮分布位置与滚柱相对应根据 的标准推断该压痕性质为伪布氏压痕 在电机处于振动的场合下轴承的滚动体与滚道面之间会发生极其微小的相对移动并产生持续性的微动磨损最终形成类似布氏压痕的形貌称之为伪布氏压痕伪布氏压痕的形成可能与轴承的配合不当、选型不当、振动冲击以及润滑不良等情况有关 一系列理化分析手段的结果表明其热处理工艺、原材料材质、硬度均符合相关规范说明轴承的各项工艺都正常进行 服役期间高铁车厢转向架内电机呈间歇性工作以控制高铁运行的正反方向失效轴承所在电机保持非运转状态时受到了持续性的微小振动 另外该轴承的径向游隙过小是引发失效的另一个主要原因理论上轴承的径向工作游隙越小滚子在非负荷区的引导就越好轴承在运行中的噪声就越小但过小的径向游隙会将滚子与内滚道接触面间覆盖的润滑油膜挤出滚子与滚道面间的保护层被破坏因而滚子与滚道面发生了更加频繁的接触磨损如此反复积累形成了轴向压痕最终造成轴承早期失效 另外内滚道面还存在两条平行的环向磨损条带分别对应于滚子的首尾两端而在伪布氏压痕形成过程中会产生一些磨粒电机轴承高速运转的情况下滚子也保持着极高的转速滚子的正常运转因轴承工作游隙过小以及产生的磨粒而受干扰从而发生了动态失稳其微小的摆动导致首尾端面与滚道面相互摩擦破坏了润滑油膜的稳定性发生了微点蚀磨损电机轴承在电气以及机械设备中承担着支撑转动部件、减少摩擦的作用这就对轴承的配合有着极高的要求游隙过大或过小都会影响轴承原本的工作状态从而出现噪音、振动、摩擦等不良现象降低轴承的使用寿命因而在安装轴承时需要进行调整严格控制游隙的大小在合理的区间并且确保滚子与轴承的适配性以保证轴承的装配质量和工作精度 在电机轴承投入使用后应经常性地进行检修排查确保轴承内部元件之间良好的润滑条件 结论()电机轴承外圈表面涂覆层为氧化铝陶瓷绝缘层深约 ()电机轴承内圈滚道面的轴向压痕具有伪布耿 军顾 磊 高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月氏压痕特征()电机轴承径向游隙过小是产生伪布氏压痕失效的主要原因建议在安装轴承时严格控制游隙大小避免类似的问题产生参考文献:孙汕民李明.航空发动机主轴承失效分析.装备机械():.许明奇郑红威曲琼.圆柱滚子失效原因分析.轴承():.黄如君张梅.汽车轮毂轴承的断裂失效分析.铸造技术():.熊承刚熊腊森.滚柱轴承失效分析.武汉船舶职业技术学院学报():.魏国亮李铜桥张玉龙等.燃气轮机滚珠轴承失效分析.理化检验(物理分册)():.郭占兵杨志.某发动机轴承失效分析.山东工业技术():.蔡家斌刘文丁成波等.高频破碎器调心滚子轴承失效分析.机械设计与制造():.杜风贞马通达刘安生.高铁轴箱轴承疲劳剥蚀失效分析/.年全国失效分析学术会议论文集:.孙慧广王松涛高亮.某电机轴承失效分析.哈尔滨轴承():.陈明浩.铁路客车轴承外圈疲劳失效分析.哈尔滨轴承():.方明伟谢向宇罗军等.航空发动机主轴后轴承打滑损伤失效分析.润滑与密封():.夏仁善宗晓明张玉铃.地铁轴箱用双列圆柱滚子轴承失效分析.装备制造技术():.杨裕钦吕远斌陈中杰.地铁车辆牵引电机轴承电蚀问题研究.技术与市场():.暴杰许重斌赵慧超.驱动电机轴承电蚀失效问题研究.微特电机():.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会 /高碳铬轴承钢.北京:中国标准出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会 /钢中非金属夹杂物含量的测定.北京:中国标准出版社.肖九梅.浅谈陶瓷轴承的使用与维护.陶瓷():.王雪岭李秀艳杜宏光等.运输导致地铁牵引电机轴承失效分析与防护.机车电传动():.杨扩岭赵爱龙.风电齿轮箱轴承产生伪布氏压痕的原因分析及预防措施.机电信息():.姚桂颖才庆龙.电机滚动轴承的噪声及其控制措施.机械管理开发():.赵燕石云红.高速圆柱滚子轴承滚子端面磨损分析.哈尔滨轴承():.王珍宁平华潘小波等.棒材轧机减速器滚动轴承的失效原因分析及对策.齐齐哈尔大学学报(自然科学版)():.(.):.:耿 军顾 磊 高铁电机陶瓷轴承失效分析及解决对策 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月