任興才
(北京市地鐵運(yùn)營有限公司車輛二公司,北京 100088)
摘 要:以DK
16A地鐵電動(dòng)車輛牽引電機(jī)62310軸承故障為例,分析了故障成因,并對相應(yīng)的措施進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞:軸承故障;摩擦副;電蝕;溫升
地鐵車輛在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí),有時(shí)車廂會(huì)有劇烈震動(dòng),這多是由于牽引電機(jī)軸承故障造成的,當(dāng)軸承潤滑不良時(shí),其轉(zhuǎn)動(dòng)體產(chǎn)生熱量使金屬熔化,停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)又凝結(jié),給啟動(dòng)產(chǎn)生極大阻力,在阻力釋放時(shí)車箱會(huì)有劇烈震動(dòng),給車輛的運(yùn)行安全性、乘客的乘坐舒適性造成很大威脅。這種故障稱牽引電機(jī)“燃軸”。
在“燃軸”故障發(fā)生后,司機(jī)很難完成正點(diǎn)輸送乘客的任務(wù),只能掉線回庫。發(fā)生“燃軸”后,嚴(yán)重?fù)p壞轉(zhuǎn)軸的軸徑,不僅牽引電機(jī)要大修,而且還影響車輛的機(jī)械傳動(dòng)、牽引電器的可靠性。調(diào)研發(fā)現(xiàn)“燃軸”多發(fā)生在牽引電機(jī)非軸伸端軸承(即62310軸承)。作者認(rèn)為,有效的降低62310軸承故障,首先要排除軸承制造質(zhì)量的干擾,其次是正確科學(xué)地裝配軸承也非常關(guān)鍵,在兩者較好地滿足之后,軸承故障問題的解決就相對容易了。實(shí)踐證明,從20世紀(jì)90年代中期至今,通過采取相應(yīng)措施,明顯降低了牽引電機(jī)臨修軸承的故障。
1 關(guān)注軸承的不良品
?。?)對軸承不良品質(zhì)量的監(jiān)測
任一批量的軸承都存在著一定數(shù)量的不良品,軸承與軸承之間的比較是可以區(qū)分優(yōu)劣的。
62310軸承滾柱體有12個(gè),它們的一致性如何是由制造廠家決定的,作為使用者往往只注意其有關(guān)的配合尺寸而不在意其內(nèi)在如何,而這一內(nèi)在質(zhì)量與企業(yè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),也與其生產(chǎn)管理水平和技術(shù)控制水平、批次有關(guān)。
解剖測量新品軸承不良品質(zhì)量的做法是在每百套或每批次中任意取1套軸承,內(nèi)套與擋圈待檢,將黃銅保持架鉚釘除去(可鉆削或銑削),平放于測量工作臺面上,分解保持架,對滾柱依次做標(biāo)記,用千分尺分別測量出柱體直徑和長度的Z大與Z小的差值。另外,用塞規(guī)測量徑向間隙和軸向間隙。此方法不需對軸承解體,但必須逐個(gè)測量每一滾柱體。這種方法測量誤差較大,不易發(fā)現(xiàn)柱體的每一形位細(xì)節(jié),如倒角缺口、光潔度等不均勻時(shí)很易漏檢,但可較好地對保持架進(jìn)行檢查。對柱體的表面硬度測量用HLM)100里氏硬度計(jì)。有利對軸承復(fù)原再用,不至于報(bào)廢。
如1996年產(chǎn)品,滾柱直徑公差帶0.05mm、滾柱長度公差帶0.07mm、滾柱表面硬度HRC60~62、滾柱兩端面倒角不規(guī)則、不一致,有個(gè)別倒角有嚴(yán)重缺陷和磨缺痕跡,保持架間隙過大等。我們將軸承的制造質(zhì)量問題回饋到制造廠后,引起廠家極大重視,此后軸承質(zhì)量有穩(wěn)步提高,軸承制造精度較穩(wěn)定。
應(yīng)該說明決定軸承內(nèi)在質(zhì)量的要素很多,企業(yè)內(nèi)部有自已的測控標(biāo)準(zhǔn),以上測量結(jié)果也只能對制造質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督,預(yù)防批量不良品流入修程環(huán)節(jié),提請生產(chǎn)商對質(zhì)量嚴(yán)控,減少軸承質(zhì)量因素造成的干擾。
?。?)軸承的篩選
首先,目測外套、內(nèi)套、擋圈各表面光潔度,無劃痕、劃傷。
徑向間隙的檢查。測量時(shí),先將軸承內(nèi)圈固定,除去擋圈,軸承外圈用30N左右的力推轉(zhuǎn),將塞尺插入滾柱和滾道的間隙處,插入的深度要超過滾柱體長度的1/4,調(diào)整塞尺厚度使松緊程度適度,這時(shí)塞尺的讀數(shù)是徑向制造間隙。62310軸承目前我們選用的游隙系列,徑向要求0.065~0.080mm。
測量軸向間隙。將軸承平放于平臺上,以軸承內(nèi)套定位測高度,再以外圈定位測高度,兩高度差為軸向間隙,要求軸向小于0.6mm。
通過以上工作后,也只能說明此批軸承質(zhì)量穩(wěn)定的可信度,在使用時(shí),操作者還應(yīng)用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行再次篩選。此法雖然不能取代計(jì)量測定,但作為相對參照還是可行的。在操作者有經(jīng)驗(yàn)體會(huì)后,鑒別結(jié)果有很高的可信度。
2 軸承裝配中易忽視的細(xì)節(jié)
?。?)軸承裝配前的檢查
裝配前,要檢查軸承內(nèi)圈與軸頸配合公差以及軸承外圈與端蓋軸承室的配合公差,同時(shí)檢查配合表面的粗糙度及對軸徑的其它形位要求。
1)特別要注意主軸端面到油封端面33±0.1mm的要求,軸承油封如損壞需更換,在更換新油封后必須以軸兩端中心孔定位,旋車加工油封端面尺寸達(dá)要求,并嚴(yán)格控制其加工光潔度;
2)確認(rèn)后方可進(jìn)入軸承的裝配,并符合圖1要求。
(2)軸承的熱套過程
加熱軸承內(nèi)套選用ZJ20x系列軸承加熱器(額定功率2.2kVA)。將軸承內(nèi)套套入12號軛鐵放置于主極鐵芯端面上,吻合平正。在加熱過程中,用點(diǎn)溫計(jì)測量軸承內(nèi)套溫升70K,加熱時(shí)間60~65s,當(dāng)達(dá)到溫升時(shí),軸承內(nèi)套可漲出0.06~0.09mm,加熱溫度不可超過120℃。斷電戴防護(hù)手套取出軸套,迅速進(jìn)行裝配。油封套的熱套加熱時(shí)間可以略長一些,加熱時(shí)間一般比軸承內(nèi)套的加熱時(shí)間長10~15s為宜。
軸承徑向預(yù)緊??稍黾虞S承的剛度,保證軸向和徑向的正確定位,提高軸的旋轉(zhuǎn)精度,降低軸承的振動(dòng)和噪聲,防止由于慣性力矩所引起的內(nèi)、外滾道的滑動(dòng)。
?。?)熱套時(shí)的裝配要點(diǎn)
通過時(shí)間控制溫升(小軸套時(shí)間62s±2s);減少工件的熱散失,感應(yīng)加熱工作臺與軸件裝配工位不超過3m為宜。
作者認(rèn)為更換油封后必須要中心定位旋車加工,否則尺寸33mm及其形位精度達(dá)不到要求。這一要求往往被忽視,它對軸套的定位是至關(guān)重要的。
3 軸承的摩擦副、電蝕與溫升
(1)浴盆規(guī)律(經(jīng)典故障率曲線)
在完成軸承的裝配后所測的間隙就是工作間隙。工作間隙要比徑向間隙小些,實(shí)際運(yùn)行中工作間隙在磨損中增大,當(dāng)增大到超過允許值時(shí),就不能繼續(xù)使用。62310軸承徑向間隙允許Z大磨損不大于0.20mm。
軸承故障實(shí)際是軸承由磨合到磨損的延伸和擴(kuò)大,其故障宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律符合浴盆曲線,軸承由磨合期到使用壽命期時(shí)間很長,屬于偶然故障期,到達(dá)使用壽命期的末期,其特點(diǎn)是故障率隨時(shí)間的增加而加大。根據(jù)浴盆理論,研究地鐵T
101車組故障率統(tǒng)計(jì)曲線(見圖2),可知62310軸承使用50萬km以后進(jìn)入故障高發(fā)區(qū),應(yīng)進(jìn)入修程??紤]修程特點(diǎn),其壽命期定在50萬km為宜。可見,軸承故障有一個(gè)漸發(fā)過程,在50萬km以前是故障率Z平穩(wěn)的時(shí)期,是軸承Z佳運(yùn)行期。50萬km以后,各摩擦副工作的正常與否成為問題的關(guān)建。
?。?)軸承的摩擦副
軸承存在3組摩擦副,滾柱與內(nèi)、外滾道為第1組;滾柱兩端面分別與滾道擋圈內(nèi)套側(cè)面為第2組;滾柱表面與保持架為第3組。數(shù)組摩擦副均在潤滑脂的參與下工作。
滾柱與滾道面間屬于滾動(dòng)摩擦副。在正常情況下,摩擦面間完全被潤滑脂油膜所隔開,如軸承內(nèi)12個(gè)柱體都能均勻受力,鋰基脂油膜的強(qiáng)度,不容易破壞,這一情況是軸承的理想運(yùn)行情況,在新品軸承運(yùn)行初期是這樣的。因此,軸承處滾動(dòng)摩擦中,磨耗量是極微小的,經(jīng)過一個(gè)架修(50萬km)后的軸承,Z大磨耗量沒有超出0.02mm。這一摩擦副主要承受軸重負(fù)荷和沖擊負(fù)荷。
滾柱兩端面分別與滾道擋圈內(nèi)套側(cè)面間屬于滑動(dòng)摩擦副。摩擦面間有油膜,滾柱面正常情況下承受較小軸向力,在車輛經(jīng)過道岔受沖擊時(shí)軸向力Z大,因軸承柱體長度上的差異,使Z長的柱體在發(fā)生沖擊時(shí)首先產(chǎn)生磨耗,初期磨耗較快,運(yùn)行中磨耗逐漸平穩(wěn)趨于穩(wěn)定,這時(shí)軸向間隙增大。當(dāng)軸向力發(fā)生時(shí),62310軸承承擔(dān)了全部軸向力(徑向負(fù)荷是由電機(jī)的兩個(gè)軸承分擔(dān)的),從電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)分析,軸承的軸向游隙實(shí)質(zhì)是電機(jī)軸向間隙。
滾柱表面與保持架屬于滑動(dòng)摩擦副。滾柱全部外表面與保持架構(gòu)成的摩擦接觸面Z大,且又屬于滑動(dòng)摩擦,對軸承故障的威脅Z大。在實(shí)際中發(fā)生軸承故障后,其原因一般較難判斷,原則上保持架不應(yīng)與內(nèi)套、外圈有接觸,并且相對間隙均勻,但在磨損增大后,保持架塌架或飛邊而產(chǎn)生毛刺,潤滑被破壞,加了磨損,保持架損壞往往是軸承故障的開始。保持架的強(qiáng)度是軸承各組件中Z薄弱的部分。保持架的可靠程度決定著軸承的使用壽命。
?。?)軸承的電蝕
軸承的電蝕從電流作用的角度上講有電化學(xué)電蝕和軸電流電蝕。電化學(xué)電蝕屬微循環(huán)靜電性質(zhì),潤滑脂與水親和后呈現(xiàn)電極性,極性分子團(tuán)使金屬表面形成轉(zhuǎn)移粒子,構(gòu)成電蝕即銹跡,在軸承長期靜止時(shí),電蝕加劇。因此,注意潤滑脂開啟后應(yīng)防雨防潮,密閉封存,防止?jié)櫥冑|(zhì)。
軸電流電蝕可有電壓電蝕和接地電蝕。電壓電蝕是由于磁路、磁場不均,有與轉(zhuǎn)軸相交鏈的旋轉(zhuǎn)磁通存在,轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)可在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,電壓雖然很小,在達(dá)到一定數(shù)值后,擊穿油膜瞬間產(chǎn)生電火花,對滾動(dòng)軸承摩擦副形成灼傷,完成放電后再進(jìn)行下次的累積。
為防止發(fā)生電壓電蝕,通常采用阻斷回路的方法,如將軸承絕緣或直接使用絕緣軸承。但后者成本昂貴,國內(nèi)尚有待開發(fā)絕緣軸承系列。
接地電蝕是當(dāng)電樞繞組發(fā)生接地故障時(shí),電樞鐵心通過軸,經(jīng)軸承對殼體構(gòu)成接地回路,形成軸電流,灼傷軸承??梢酝ㄟ^對電樞繞組進(jìn)行除塵清理,端部除鐵心外涂刷164晾干環(huán)氧灰色覆蓋漆,減緩絕緣老化,并要減少粉塵的再浸入,避免形成短路擊穿故障,能有效防止發(fā)生接地電蝕故障。
?。?)軸承溫升
軸承摩擦副及軸承電蝕都可以使油膜吸熱,油溫升高,潤滑性能下降并產(chǎn)生熱積累,使軸承溫度上升。軸承溫度反映了軸承的運(yùn)行工況,軸承溫度上升也是軸承故障的前兆。如果幾臺牽引電機(jī)電磁功率所產(chǎn)生的熱效應(yīng)都一致(基本一致),那么,軸承溫度就可以客觀反應(yīng)出軸承本身工況。
在檢修班組由操作者自檢軸承溫度,測出空載溫升曲線。在運(yùn)行條件下,遠(yuǎn)紅外常溫下測試;空載1350r/min;DC100V作溫升曲線。由圖4可知,在熱平衡后,溫升達(dá)13K接近飽和,1350r/min溫升超過13K+2K可視為警視溫度。在運(yùn)營車輛回庫后5min內(nèi)測得軸承動(dòng)態(tài)溫升曲線,由圖4可知32K接近飽和,故32K+2K可視為警視溫度。
?。?)防止發(fā)生燃軸故障
到達(dá)警示溫度后,可認(rèn)為軸承使用壽命已經(jīng)度過Z佳運(yùn)行期,故障率將隨時(shí)間的增加而加大。應(yīng)注意安排修程,在超過警視溫度5~7K時(shí)應(yīng)進(jìn)入修程,避免發(fā)生燃軸故障。
作者認(rèn)為通過提高潤滑脂的耐熱性、耐久性和不親水性,可降低電化學(xué)電蝕;通過對電氣部分的進(jìn)一步絕緣處理,可降低接地電蝕;通過對電蝕回路采取阻斷措施,可降低電壓電蝕。
軸承磨耗與磨損的變化很難定量分析,正常磨耗的軸承能保證一個(gè)架修修程(約50萬km),若不能保證一個(gè)架修時(shí),需更換新品軸承。在正常使用壽命期間運(yùn)行的軸承,其溫升的變化可以客觀反映出軸承的運(yùn)行工況。在同一工作條件下測出其溫升的變化進(jìn)行比較,根據(jù)溫升飽和點(diǎn)的不同制定出警示溫度值,根據(jù)警示值的預(yù)報(bào),分別在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),可以有效地防止軸承故障。
4 結(jié)論
有效地降低62310軸承故障,首先要排除軸承制造質(zhì)量的干擾,其次正確科學(xué)地裝配軸承也很關(guān)鍵。由于在解決軸承故障上排除了軸承質(zhì)量的干擾,完善了工藝細(xì)節(jié),采用了紅外線溫度測量手段,監(jiān)測軸承故障前兆,科學(xué)有效地防止了軸承故障。根據(jù)歷年軸承故障統(tǒng)計(jì)可以看出,1998年前基本排除了軸承制造質(zhì)量的干擾,故障率由原來的46%下降到32%;2002年由于加強(qiáng)紅外軸溫測控,使軸承故障率再由32%下降到13%,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效果。
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來源:《鐵道機(jī)車車輛》第25卷第3期 2005年6月