牽引電機是機車電傳動系統中極為重要的部件,牽引電機中的軸承故障易造成機車無法正常牽引和區間停車,嚴重影響機車的運行安全,因此保證軸承質量是確保機車良好運行的必要條件之一。牽引電機軸承故障處置時須落輪,返工量大,嚴重影響機車的正常交付,延長機車檢修停止時間,并造成極大的經濟損失。某公司在對某型機車進行大修正線試驗時,先后發現5臺牽引電機的6個軸承發生預報警故障,查閱故障牽引電機檢修記錄發現,故障電機為2021年11月修理完成,2022年3月裝車使用。故障軸承的裝配結構如圖1所示。 

圖  1  故障軸承的裝配結構示意

每臺牽引電機上使用了兩種軸承,兩種軸承均為圓柱滾子軸承,均主要由內圈、外圈、保持架、滾子等結構組成,屬于可分離式軸承,滾柱數量均為14個。傳動側軸承的外圈為雙擋邊,內圈為無擋邊。換向側軸承的外圈為雙擋邊,內圈為單擋邊。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了軸承故障的原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對故障電機進行拆檢,發現軸承外圈滾道中部有一環形痕跡,擋邊無異常(見圖2)。內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  軸承內圈宏觀形貌

對軸承的滾柱進行宏觀觀察,發現其中一根滾柱外表面有一排點狀缺陷,缺陷邊緣有不規則形狀的坑狀缺陷；滾柱外表面缺陷在滾柱外徑中部,與內圈滾道的黏連損傷位置、外圈滾道環形痕跡相對應(見圖4)。滾柱表面坑狀缺陷的三維形貌如圖5所示,滾柱外徑最高點和最低點相差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   化學成分分析

分別在軸承外圈、內圈和滾柱上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：軸承外圈、內圈和滾柱的化學成分均符合GB/T 18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》對GCr15鋼的要求。 

1.3   尺寸和幾何精度檢測

對軸承進行尺寸和幾何精度檢測,可知軸承的尺寸公差及幾何公差符合GB/T 4199—2033 《滾動軸承 公差 定義》的要求。對軸承的內圈滾道圓度、內圈滾道直線性、外圈滾道圓度、外圈滾道直線性、外圈擋邊粗糙度等分別進行檢測,結果均合格。 

1.4   硬度測試

依據 GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對軸承進行硬度測試,結果如表2所示。由表2可知：軸承的硬度符合TB/T 2591—2007 《鐵路機車滾動軸承訂貨技術條件》的要求。 

1.5   金相檢驗

按照GB/T 25711—2010 《滾動軸承鐵路機客車軸承》要求分別對軸承內圈、外圈、滾子進行金相檢驗,結果如圖6所示。由圖6可知：內圈3 mm表層組織為屈氏體,內圈內部組織為貝氏體,內圈可見網狀碳化物；外圈3 mm表層組織為屈氏體,外圈內部組織為貝氏體,外圈可見網狀碳化物；滾子3 mm表層組織為屈氏體,滾子可見網狀碳化物,內圈、外圈、滾子的組織均符合JB/T 1255—2001 《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》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,對試樣進行金相檢驗,結果如圖7所示。由圖7可知：坑狀缺陷處含有馬氏體,表明該區組織發生了淬火。結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GB/T 10561—2015 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對軸承的非金屬夾雜物進行檢測,結果如表3所示。由表3可知：軸承外圈、內圈、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,利用掃描電鏡對試樣進行觀察,結果如圖8所示,坑狀缺陷附近顯微組織未發生變化,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

對試樣進行能譜分析,結果如圖9所示,發現坑狀缺陷成分為純鐵。 

圖  9  坑狀缺陷的能譜分析結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,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準要求。滾子外徑表面有電蝕融坑,內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生異常振動,導致機車檢測系統報警。 

結合牽引電機結構及工作原理,判斷可能是軸電壓使牽引電機軸承產生電蝕現象。軸電壓的產生原因為電機電樞磁路不均勻,電樞轉動磁阻變化,磁通產生脈動,脈動部分磁通切割轉軸,在轉軸的兩端產生軸電壓。資料顯示,設計和運用條件正常的電機運行時,轉軸兩端只會產生很小的電位差,只有當軸電壓達到某一值時才會引起電蝕[1],電壓小于0.5 V時不會發生電蝕。ZD109C型牽引電機為成熟產品,且機車運行環境未發生變化,可以排除該種可能。此外,在電機試驗時,直流牽引電機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,電流中的脈動分量在電樞繞組和電樞鐵芯間產生電容電流,導致軸與地之間產生軸電壓。該電機采用兩臺可控硅整流電源,故不會產生該問題。 

外部輸入電流也會使軸承發生電蝕現象。排查焊接作業過程發現,牽引電機組裝、輪對電機組裝中均有焊接部分,施焊過程中,焊機地線直接搭接在牽引電機定子殼體上。由于定子外殼殘存著銹皮和油漆,造成地線接觸不良。該批牽引電機靜置的時間較長,軸承下方滾柱與內、外圈滾道間受到轉子自身質量產生的壓力,潤滑脂被擠出接觸面,導致軸承內油膜不均勻；牽引電機定子為鑄造件,其組織致密性較鍛件差,根據電流路徑的優先走法,施焊電流會沿電阻較小的地方選擇通路,當地線接觸不良時,軸承成為焊接電流通路,造成軸承電蝕。 

3.   結論與建議

軸承故障的原因為：牽引電機組裝時,焊接作業過程中地線搭接不良,造成軸承產生電蝕現象,最終導致軸承發生故障。 

組裝牽引電機時,必須通過試驗臺運行或人為盤動轉子才能保證滾柱和內、外圈滾道間的潤滑脂均勻,形成穩定油膜,起到良好絕緣作用。組裝后,可以制作專用短接線,對牽引電機轉子和定子進行短接,以保證定子和轉子等電位。對牽引電機施焊時,建議將落車臺位鋼軌與焊接地臺用導線連接起來,并使用專用導線將施焊地臺與電機定子連接起來,實行接地雙保險。 

文章來源——材料與測試網