圆柱滚子轴承不均匀磨损的检测方法研究与应用

应用检测技术，并应用于电机检修中的轴承磨损量定性预检和精确定量卡控，为轴承的再利用和残余寿命评估提供有力判据，对电机圆柱滚子轴承磨损检测与电机检修工程应用的发展具有重要意义。

关键词：圆柱滚子轴承；轮廓检测；透光检测；工程应用

伴随着我国机车向高速重载方向发展，机车牵引电机运行于风沙、高低温、长时间跨区运行等复杂工况，电机轴承润滑不良导致轴承出现早期异常磨损，甚至发展成轴承剥离及烧损，给机车安全运行带来了全新挑战[1]。

针对于电机轴承的早期异常磨损，具有滚柱母线轮廓常呈现中间小、端部大的“哑铃状”不均匀磨损的典型特征，在电机检修中需对该类轴承进行检测及卡控，保障检修后的电机安全运行。经过系列的验证与研究，提出了透光预检和轮廓卡控相结合的轴承磨损检测技术，并制定磨损判定值定量卡控轴承，筛选出磨损值合格轴承进行装车再利用。

1 典型磨损特征及失效模式

1.1 典型磨损特征

轴承是机车牵引电机中支撑转子和定子，实现转子和定子稳定、灵活运转的关键部件[2]。牵引电机通常配置2个轴承，即驱动端轴承和非驱动端轴承。驱动端主要承受载荷及处于浮动端，常采用圆柱滚子轴承。

在轴承的全寿命运行周期内，电机需返厂进行检修，并检测电机轴承的磨损状况。返厂检修电机圆柱滚子轴承进行检测，发现其磨损特征高度一致[1]。滚柱表面有不均匀磨损痕迹，中部呈亮色，两端呈暗灰色，如图1。经测量，滚柱为哑铃型，中部直径小，两端直径大的异常磨损状态，如图2所示。

图1 磨损圆柱滚子图

图2 滚柱异常磨损图（纵向放大1000倍）

1.2 典型失效模式

当滚柱表面出现哑铃状不均匀磨损时，轴承的承载部位移至滚柱端部，造成滚柱端部出现应力集中[3]，如图3所示。哑铃型异常磨损进一步发展，滚柱的不均匀程度增加，滚柱端部应力集中将逐渐产生剥离脱落，如图4，最终恶化导致轴承烧损固死。

2 滚柱轴承磨损检测技术

为防止轴承滚柱异常磨损导致剥离、固死失效，研究一种不破坏轴承的滚柱表面磨损检测方法，定量分析轴承的不均匀磨损量，严格卡控电机轴承检测过程。

2.1 早期轴承磨损检测技术

早期牵引电机轴承磨损检测方法主要有电机旋转振动、异音判别法、轴承游隙检测、轴承外观检测及指感判别、润滑元素含量检测法等[4]。

上述几种方法均存在一定局限性：（1）电机旋转振动和异音判别法受电机装配影响较大，无法判断振动来源于轴承还是装配对中不均问题；（2）轴承游隙检测“哑铃型”轴承，无法检测轴承滚柱中部与端部的磨损量；（3）轴承外观检测只能粗略的检测轴承是否出现剥离，点蚀，擦伤等情况，对轴承的磨损情况无法判别；（4）指感判别对检测者经验要求较高，需通过触摸滚柱表面和内外圈表面的凹凸度，无法定量轴承磨损情况；（5）润滑元素检测受油路中所有结构磨损影响，无法具体指向轴承磨损，无法精确判定轴承的磨损情况。

因此，上述方法均不能对圆柱滚子轴承的表面轮廓磨损情况进行量化分类，从而无法对轴承残余寿命进行评估。

图4 滚柱剥离失效图

2.2 表面轮廓检测技术

基于早期轴承磨损检测的局限性，提出了适用于工程应用的轴承表面轮廓检测技术，对轴承滚道面磨损均匀性进行量化，为轴承残余寿命评估提供依据。

轴承表面轮廓检测方法目前主要有两种：一种是表面轮廓仪检测，该方法可准确定量评定滚道面的磨损情况，但操作相对较复杂，不适用于大批量轴承检测；另一种轮廓透光检测法，该方法是磨损定性检测，方法简单实用、高效，满足工程应用的大批量轴承检测筛选，分等级进行轴承磨损评估，实现透光预判，轮廓仪检测卡控的结合性检测方法。

2.2.1 表面轮廓仪检测

表面轮廓仪检测方法为：将待检圆柱滚子轴承平放在专用工装夹具上，摸索寻找到滚柱最高点，测量滚柱最高点母线的轮廓，评估滚柱承载区域有效取样长度上最高点与最低点的高度差，即pt值。同时，可标定新轴承轮廓线，利用双轮廓检测方法评估磨损轴承与新轴承的轮廓曲线的磨损区域面积。利用表面粗糙度轮廓仪检测圆柱滚子轴承，如图5所示。

选取大量不同磨损程度的轴承进行滚柱母线与外圈轨道面轮廓检测，其中新轴承与三种典型磨损程度的滚柱和外圈表面轮廓定量检测结果如图6、7所示。

图6 不同磨损程度的滚柱轮廓检测图

从图6可知，运用后的1～3号轴承出现不同程度的磨损，磨损区域及特征高度一致，表面轮廓高度差值pt越大，轴承哑铃状磨损情况越严重。

图7 不同磨损程度的外圈轮廓检测图

从图7知，新轴承及磨损轴承外圈轨道面轮廓非直线，外圈磨损为非均匀磨损；且滚柱和外圈磨损具有正相关性，滚柱轮廓磨损越严重（pt值越大），相应外圈滚道面磨损亦严重。因此，可选取轴承滚柱磨损检测来评估轴承不均匀磨损程度。

2.2.2 轮廓透光检测

为适用于工程应用，开展批量性的轴承轮廓检测，规避轮廓仪检测的操作繁琐，提出一种轮廓透光检测方法。

轮廓透光检测方法为采用精度较高的直线尺，例如刀口尺；用以检测轴承滚柱母线，刀口尺与轴承滚柱母线平行紧密贴合，对刀口尺与轴承滚柱母线间隙进行透光检测，通过透光强弱程度及透光颜色定性判定滚柱表面轮廓的磨损情况。

通过大量滚柱轮廓透光检测，将滚柱轮廓磨损状况分为三个等级，并应用表面轮廓检测仪对三个等级滚柱轮廓磨损区间进行量化，如表1所示。

表1 滚柱轮廓透光检测对照表

据统计，经过轮廓透光检测只有不到10%的轴承需要用到表面轮廓仪检测进行复测判定，采用轮廓透光检测预判轮廓仪复检卡控，极大地提高了轴承检测速度和效率。

实践表明，面对工厂大批量轴承检修的工程应用，采用透光检测来预判，轮廓仪检测卡控相结合的轴承磨损检测技术，对轴承质量卡控具有良好应用效果。

3 仿真分析与应用研究

采用Mises应力仿真分析和单轴承动态故障检测进行不同磨损等级的滚柱轴承可行性技术评估，并进行小批量装车考核。

3.1 应力仿真分析

为分析不同轮廓磨损量的轴承应力分布，利用有限元分析软件ABAQUS进行建模与分析。基于磨损轮廓pt值的限值分析，文章主要对第Ⅱ等级的滚柱磨损轮廓进行分析计算。

（1）实体建模：根据实际轮廓检测的滚柱曲线，采用描点法对滚柱和外圈接触曲线进行绘制，并进行实体建模，考虑轴承运行实际载荷分布，优化计算模型，模拟分析轴承滚柱主要接触点与外圈接触应力，如图8。

（2）网格划分：采用三维八节点减缩积分沙漏控制单元（C3D8R）对外圈和滚柱进行离散，局部接触区域采用网格细化加密，整个有限元模型共有6899160个单元，7572260个节点，如图9所示。

（3）载荷约束：基于滚柱轴承的受力分布，选取承载区载荷最大的滚柱，并进行滚柱周向约束，外圈固定约束，在滚柱上方施加均布载荷，载荷为实际运行中的轴承所有载荷转化为单个滚柱载荷，取单个滚柱载荷的最大值。

图8 应力仿真二维模型图

图9 三维模型网格划分图

（4）应力求解：仿真计算可得，磨损轮廓pt值为16μm的滚柱在实际应用最大载荷作用下，滚柱接触区最大Mises应力为1068MPa。经核查，轴承滚柱和外圈材料的屈服应力为1690MPa[1]，表明轮廓磨损值为16μm的滚柱应力水平良好，小于屈服极限。仿真应力计算结果，如图10所示。

图10 接触区Mises应力图

3.2 单轴承动态故障诊断分析

基于旋转机械故障诊断技术、精密微冲击传感技术及计算机测控技术，可识别对单个滚动轴承的故障，自动检测出不同磨损状态的轴承振动能量，及轴承内圈、外圈及滚动体等轴承组件的故障信息[5]，检测原理如图11。

分析不同轮廓磨损量的轴承振动能量及故障信息，结果如图12所示。

图11 单轴承动态检测原理图

图12 不同磨损程度滚柱轴承振动能量图

从图12可知，新轴承的振动能量最低，均方根值≤2.3（1000rpm）；第1等级轴承与第2等级轴承的振动能量相近，均方根值≤5.5，均方根值在卡控值（≤6）范围内，轴承拆检状况良好，无故障，磨损小；而第3等级轴承的振动能量偏大，均方根值接近9.5，轴承解体出现游隙值偏大，哑铃型磨损严重，无法满足剩余轴承使用寿命要求。

因此，基于轴承应力计算及单轴承振动检测，轮廓透光检测≤16μm的轴承屈服应力和振动能量均在规定范围内，可以进行装车再利用。

3.3 装车考核

2013年8月，对轮廓透光检测不同等级的轴承进行小批量装车考核，其中pt≤16μm的轴承装车运行已接近40万公里，每个季度对在段运行的油样和顶轮检测跟踪，检测值均处于合格范围内，表明该类轴承目前运行状况良好。

4 结束语

文章对圆柱滚子轴承不均匀磨损的检测方法进行研究与应用，针对圆柱滚子轴承滚柱表面呈现典型哑铃状不均匀磨损特征，创新性提出了一种基于轮廓检测和透光检测相结合的工程应用检测技术，并应用于电机检修中的轴承磨损量定性预检和精确定量卡控。经过应力仿真分析、振动故障检测及运用考核，结果表明不均匀磨损的滚柱母线轮廓pt≤16μm可继续安全运行。

文章的研究及磨损限值分析为轴承的再利用和残余寿命评估提供有力判据，对电机滚柱轴承磨损检测与电机检修工程应用的发展具有重要意义。

参考文献

[1]杨振中，梅荣海，阮鸿芳.机车牵引电动机油润滑轴承失效分析与对策[J].轴承，2014，1：45-47.

[2]刘泽九.滚动轴承应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]毛月新，沈雪瑾，陈晓阳，等.偏载轴承滚柱的接触应力分布计算及其滚柱凸度设计[J].中国机械工程，2009，20（16）：1918-1922.

[4]池田伸一，等.牵引电机不解体检修方法的研究[J].电力机车技术，1997，3：46-48.

[5]冯庚斌，段全胜，等. 机车车辆轴承、齿轮振动诊断[M].北京：铁道部科学研究院机车车辆研究所，2005.

作者简介：郭四洲（1974，12-），男，高级工程师，从事电机轴承应用技术研究。

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