滚动轴承失效形式浅谈

滚动轴承失效形式浅谈

孙宇

中车大连机车研究所有限公司，辽宁大连， 116000

摘要：本文主要介绍铁路车辆滚动式轴承主要结构，滚动轴承几种主要的失效形式以及轴承故障的诊断方法。

关键词：铁路车辆；滚动轴承；结构；失效形式；诊断方法

1.引言

近年来，随着交通运输业以及物流行业的不断发展，铁路车辆列车已成为交通运输以及货物运输的主要工具之一。轴承是铁路车辆列车的重要组成部分，是保障铁路车辆列车能够正常运行的关键，开展轴承失效形式研究，对于保障铁路车辆行车安全具有重要的意义。铁路车辆轴承主要有滑动式轴承和滚动式轴承两大类，滚动轴承作为铁路车辆走行部的关键零部件，因其效率高、装配方便、摩擦阻力小、润滑实现容易等优势而被广泛应用。本文将重点介绍滚动式轴承的结构及其主要失效形式。

2.滚动式轴承定义

滚动轴承是安装在轴与轴座之间的减少摩擦损失的一种精密机械部件，其减小摩擦是通过将轴与轴座运转时两者之间的相互摩擦转换为滚动摩擦的方式来实现。

3.滚动式轴承结构及作用

滚动式轴承主要由四部分组成，分别为：滚动体、内圈、外圈和保持架。滚动体也叫滚子或滚珠，是滚动轴承最重要的零部件。滚动体均匀的分布在内圈和外圈之间，排列在保持架中，它使外圈和内圈之间的相对运动由滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低了设备的磨损和故障率。滚动体的形状、大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命。轴承内圈必须和车轴相匹配并且和车轴一起旋转。轴承外圈主要起到支撑作用，轴承外圈必须能够和轴承座相匹配，二者紧密结合，不能出现振动位移。保持架作用是保证滚动体均匀分布，引导滚动体旋转的同时减少滚动体间的磨损和摩擦。滚动轴承的基本结构如下图1所示。

图1滚动轴承的基本结构图示

4.滚动轴承失效形式

很多因素都可能导致滚动轴承的损坏，轴承损坏往往多方面因素共同作用下导致的，例如装配不当、水分或者异物的侵入、润滑不够充分、腐蚀等原因，都会导致轴承过早的损坏。即便在安装、保护、润滑方面都良好的情况下，轴承在运行一段时间之后也会由于磨损和疲劳剥落而不能正常运行。所以滚动轴承故障原因是非常复杂的，按照滚动轴承故障机理，主要分为以下几类。

4.1疲劳剥落

内外滚道和滚动轴承的滚动体表面不仅要承受载荷又要产生相对滚动，在交变载荷的作用下，在金属表面下的一定深度处会形成裂纹，进而会扩展到金属接触表面使表层产生剥落坑，最后发展到在接触面上发生大片脱落，这称为疲劳剥落。疲劳剥落使轴承在运转时产生冲击载荷、噪声加剧和振动。

4.2磨损

由于异物的入侵，滚动体表面和滚道在相对运动的时候会引起表面磨损，轴承润滑不好也会加剧磨损.随着磨损程度越来越严重，会使轴承间游隙增大，表面粗糙度也会增加，降低轴承运转的精度，因此降低了机器运转的精度，振动和嗓声也相应的增大。

4.3压痕

滚动轴承在承受载荷后，会在滚动体和滚道接触处产生塑性变形，当载荷过大或者硬度很高的异物侵入时，会在滚道表面产生凹痕，使轴承在运转时产生剧烈的振动和噪声，而且压痕一旦形成，会造成其周围表面的剥落。

4.4腐蚀

腐蚀属于滚动轴承最严重的失效形式之一，高精度的轴承会因腐蚀导致精确度严重下降而不能继续工作。轴承表面腐蚀根据原因分为以下三种:第一种是化学腐蚀，水分或者湿气、含酸的润滑油侵入而造成的腐蚀;第二种是电腐蚀，是由于轴承表面之间有电流通过滚动体和滚道间很薄的油膜引起的电火花而产生的电蚀;第三种为微振腐蚀，轴承套圈在轴颈或者机座孔中微小的相对运动而产生的黑色或者红色的锈斑。

4.5断裂

过大的载荷可能会引起轴承零件的断裂，热处理和装配不当引起的残余应力以及工作时的热应力都会引起轴承零件的断裂。

4.6胶合

胶合指的是零件表面上金属粘附到另外一个零件的表面上。轴承在高速重载、润滑不良的情况下，由于接触面摩擦生热，轴承零件在短时间内达到很高的温度而产生表面胶合的故障。

5.滚动轴承故障诊断方法

滚动轴承的故障诊断一直是走行部状态监测及故障诊断的重点研究部分。滚动轴承的故障诊断方法有很多，按照性质大致可以分为以下几类：

(1)轴温检测法

现在多数铁路车辆上一般都是采用随车轴温报替系统来监测轴承，通过安装在走行部各关键部位的温度传感器和相应的报带系统来实行监测。当轴承温度高于安全值时，系统就会发出预报。

(2)声发射法

声发射法常用于诊断两种故障，第一种是疲劳磨损，另一种故障是轴承断裂。上述两种故障的产生与发展的过程中，都会有声发射信号的出现，通过对该信号进行采集分析，就能获取轴承的故障信息。所以声发射分析法可以用于在线监测，其发现轴承早期故障的速度明显优于温度检测，但是频谱范围太宽会给信号的采集和分析带来比较多的影响因素。

(3)振动信号分析法

振动信号分析法是通过安装在轴承座或机箱体上的传感器来采集轴承的振动信号，再根据转速和轴承的尺寸参数来计算各个元件的故障特征频率。通过轴承各组成元件故障特征频率与采集到的振动信号的频谱图进行对比来判断滚动轴承的故障部位以及故障的严重程度。

6.结 语

本文主要介绍铁路车辆滚动式轴承主要结构，滚动轴承几种主要的失效形式以及轴承故障的诊断方法。以期能够为铁路车辆轴承设计制造水平提升起到一定促进作用。

参考文献：

[1]杨剑彪. 铁路货车滚动轴承热轴故障原因分析及处置措施[D].中国铁道科学研究院,2016.

[2]熊庆. 列车滚动轴承振动信号的特征提取及诊断方法研究[D].西南交通大学,2015.