內燃機車軸承使用壽命期修改建議及預期效果

鄭 平

（南昌鐵路局 福州機務段，福建福州350014）

為了加強機車軸承質量控制，鐵道部制定了《機車軸承技術管理規范（試行）》（以下簡稱《規范》），對機車牽引電動機輸出端軸承、軸箱軸承、同步牽引發電機軸承的技術管理作了比較詳細的規定。軸箱軸承與牽引電動機輸出端軸承都是機車走行部的關鍵部件，一旦發生故障就會影響機車正常運轉，嚴重時會造成列車重大事故。《規范》規定軸箱軸承的使用壽命期為80萬km或4年、牽引電動機軸承使用壽命期為50萬km或3年，規定軸承的使用壽命期有助于提高機車走行部軸承質量、確保列車安全運行。但嚴格執行軸承使用壽命期規定也增加了機車檢修材料費支出，為了做到兼顧鐵路運輸安全與效益，有必要探討修改機車軸承使用壽命期的問題。

1 軸承使用壽命分析

機車運用中軸承的承載情況、保養好壞、頂輪檢測操作與門限值設置是否合理、拆裝是否得當等都會影響軸承的使用壽命，本文僅就軸承承受載荷情況對軸承使用壽命的影響進行分析。

1.1 滾動軸承壽命計算方法

內燃機車使用的軸承是滾動軸承，一般工作條件下的滾動軸承往往因疲勞點蝕而失效，根據機械師設計手冊，滾動軸承的壽命計算公式如下：

式中L10為基本額定壽命（軸承失效率10%時運轉的總轉數，單位為106r）；C為基本額定動載荷（軸承基本額定壽命為106r時所能承受的載荷，N）；P為當量動載荷（N）；ε為壽命指數（球軸承取3，滾子軸承取10／3）。

機車軸承通常以走行公里數表示基本額定壽命L，假設D為機車輪對直徑（mm），那么L（km）可用下式表示。

在實際工況中，滾動軸承常同時受徑向和軸向聯合載荷，為了計算軸承壽命時將基本額定動載荷與實際載荷在相同條件下比較，需將實際工作載荷轉化為當量動載荷。在當量動載荷作用下，軸承的壽命與實際聯合載荷下軸承的壽命相同。當量動載荷P的計算公式如下：

式中Fr為徑向載荷（N）；Fa為軸向載荷（N）；X為徑向系數；Y為軸向系數；fd為沖擊載荷系數。

1.2 牽引電動機輸出端軸承

牽引電動機輸出端軸承是滾子軸承，從公式（2）可以看出軸承使用壽命與（C／P）的（10／3）次方成正比。對于同一型號的牽引電動機輸出端軸承基本額定動載荷C值相同，但P值會因為機車牽引工況不同而發生很大的變化，軸承的使用壽命也會發生很大的變化。例如，DF4D型客運內燃機車牽引齒輪傳動比為68／24、構造速度為145 km／h，DF4D型貨運內燃機車傳動比為63／14、構造速度為100 km／h。DF4D型內燃機車牽引電動機使用直齒輪可不考慮軸向載荷，軸承所承受的電機單邊磁拉力與電機轉子質量等徑向載荷相對較小，因此可以近似認為軸承所承受的當量動載荷P與機車牽引力成正比。當牽引電動機輸出功率一定時，牽引力與機車速度成反比，當量動載荷P與機車速度成反比。當客運機車與貨運機車負載率一樣、客運機車平均運行速度是貨運機車1.45倍時，在不考慮沖擊載荷系數fd差異的情況下，按公式（2）計算客運機車牽引電動機輸出端軸承使用壽命是貨運機車的3.45倍。又如，DF5型與DF4型內燃機車都安裝ZQDR－410型牽引電動機，但DF5型內燃機車功率大約只有DF4型內燃機車的一半，顯然DF5型內燃機車牽引電動機輸出端軸承所承受的當量動載荷P要比DF4型內燃機車小許多，使用壽命應比DF4型內燃機車長得多。

1.3 同步牽引發電機軸承

同步牽引發電機軸承承受載荷情況比較簡單，軸承所承受的載荷可以簡單地認為正比于同步牽引發電機輸出功率，也就是說軸承使用壽命與同步牽引發電機輸出功率成反比。

1.4 軸箱軸承

軸箱軸承所承受的徑向載荷有機車軸重（需減去機車一系彈簧以下的部分）、機車牽引力與制動力、機車運行中產生的動載荷等，所承受的軸向載荷有過道岔、過曲線、蛇行運動產生的沖擊載荷等。機車軸箱軸承所承受的各種載荷除軸重以外都是變量，所承受的當量動載荷P會隨機車運行速度、牽引噸位、線路狀況等變化，因此同一型號的軸承安裝在不同的機車上會有不同的使用壽命。例如DF5型機車與DF4型機車使用相同型號的軸箱軸承，但是DF5型機車軸箱軸承所承受的各種載荷幾乎都比DF4型機車小，顯然DF5型機車軸箱軸承實際使用壽命會比DF4型機車長得多。

2 軸承使用壽命期修改建議

2.1 牽引電動機輸出端軸承

《規范》規定牽引電動機輸出端軸承使用壽命期為50萬km或3年（第一個機車中修時做靜、動態檢測及頂輪檢測），正在運用中的機車達到使用壽命期的軸承，經頂輪檢測合格時，允許繼續使用到下一次機車中修止。客運、貨運內燃機車第二次中修約為60萬km，調車內燃機車一次中修約為3年，根據《規范》客、貨運內燃機車第二次中修牽引電動機軸承必須全部更換（再運行30萬km后機車大修又要全部更換），調車內燃機車如果按3年使用壽命期執行則每次中修都要全部更換。

由于客運、貨運內燃機車牽引電動機輸出端軸承承受的載荷會隨機車工況不同而發生變化、調車內燃機車軸承承受的載荷比客運、貨運內燃機車小許多，統一執行50萬km或3年使用壽命期不太合理。因此建議客運、貨運內燃機車牽引電動機輸出端軸承使用壽命期修改為60～90萬km（每一個機車中修時做靜、動態檢測及頂輪檢測），調車內燃機車牽引電動機輸出端軸承使用壽命期修改為6～10年（每一個機車中修時做靜、動態檢測及頂輪檢測），各鐵路局可根據機車實際運用情況，在保證列車安全運行的前提下自行確定執行使用壽命期上限或下限。

2.2 同步牽引發電機軸承

《規范》規定同步牽引發電機軸承使用壽命期與牽引電動機輸出端軸承相同，建議修改后的使用壽命期也與牽引電動機輸出端軸承相同。

2.3 軸箱軸承

《規范》規定軸箱軸承使用壽命期為80萬km或4年（每一個機車中修時做靜、動態檢測及頂輪檢測），正在運用中的機車達到使用壽命期的軸承，經頂輪檢測合格時，允許繼續使用到下一次機車中修止。《內燃機車段修管理規程》規定客運與貨運本務機車大修周期為70～90萬km、調車機車大修周期為8～10年（根據鐵路機車統計規程調車作業每小時換算20 km）。這樣，客運、貨運本務內燃機車在一個大修周期內只需更換頂輪檢測不合格的軸箱軸承，調車內燃機車在一個大修周期內需要有一次中修全部更換軸箱軸承。

為了使軸箱軸承使用壽命期與機車大修周期相吻合及減少調車內燃機車更換軸承費用支出，建議客運、貨運內燃機車軸箱軸承使用壽命期修改為90萬km（每一個機車中修時做靜、動態檢測及頂輪檢測），調車內燃機車軸箱軸承使用壽命期修改為6～10年（每一個機車中修時做靜、動態檢測及頂輪檢測），各鐵路局可根據機車實際運用情況，在保證列車安全運行的前提下自行確定執行使用壽命期上限或下限。

2.4 大修后軸承

《規范》規定大修后軸承使用壽命期與新軸承相同，大修后的軸承與新軸承有相同使用壽命期不太合理。福州機務段沒有使用大修后軸承，鐵路內還有不少機務段沒有使用大修后的軸承，為了節約機車檢修材料費支出，建議規定每個機務段都應將換下的軸承送廠大修，大修后的軸承應優先使用在調車機車及小修、輔修、臨修機車上。

3 修改使用壽命期的預期效果

3.1 運輸安全

修改后的客運、貨運內燃機車牽引電動機輸出端軸承與同步牽引發電機軸承使用壽命期均為60～90萬km，軸箱軸承使用壽命期為90萬km，原有的使用壽命期分別為50萬km至下一個中修期與80萬km至下一個中修期，下一個中修期實際上就是60萬km與90萬km，也就是說修改后的使用壽命期下限與現有的使用壽命期上限相同。軸承使用壽命期修改后軸箱軸承的使用壽命期幾乎沒改動，因此軸承使用壽命期的修改不會提高軸箱軸承的故障率。軸承使用壽命期修改后牽引電動機輸出端軸承與同步牽引發電機軸承使用壽命期都提高了上限，由于同步牽引發電機軸承故障極少，即使發生故障也不會影響行車安全，因此提高同步牽引發電機軸承使用壽命期不會危及列車安全。牽引電動機輸出端軸承故障率的高、低主要取決于機車運行工況，機車牽引重載或高速列車時牽引電動機輸出端軸承故障率可能較高，反之故障率則較低。各機務段可根據機車實際運用情況決定中修是否更換軸承，這樣就不會影響鐵路運輸安全。

修改后的調車內燃機車3種軸承使用壽命期統一提高到6～10年，也就是二個中修期至一個大修期。考慮到承受載荷比較大的客貨運內燃機車軸箱軸承都能使用一個大修期，調車作業又具有低速與短距離等特點，同時在《規范》出臺前福州機務段調車內燃機車中修時3種軸承只是更換有故障的軸承，《規范》出臺前、后這十余年調車內燃機車運用中3種軸承幾乎沒有發生故障，因此認為調車內燃機車3種軸承使用壽命期延長后不會對鐵路運輸安全產生不利的影響。

3.2 節約支出

《規范》是鐵道部運輸局頒發的文件，即使該文件對軸承使用壽命期的規定可能存在不當或不夠明確，作為鐵路基層單位都應該認真執行，執行該文件的過程中會出現低于使用壽命期就更換軸承的問題，有的機務段甚至每次中修都全部更換軸承，換下來的軸承直接報廢。通常情況下軸承的故障率是有一定規律變化的，存在初始故障期、偶發故障期和耗損故障期3個階段。頻繁更換會使軸承故障發生在初始故障期的機會增加，由于初始故障期的故障率要比偶發故障期的故障率高許多，因此頻繁更換軸承不一定會降低故障率，卻大大增加了材料費支出。福州機務段2011年內燃機車中修更換軸承支出300多萬元，如果執行修改后的使用壽命期規定可減少支出約200萬元，每個從事中修工作的職工平均節約1萬元左右，如果將換下的軸承送廠大修，還會減少更換軸承的支出。福州機務段如果執行修改后的使用壽命期規定能大幅度減少支出是調車內燃機車中修較多等特殊原因，估計其他機務段能達到年人均節約幾千元。

為了確保軸承使用壽命期修改后能達到預期的效果，必須盡量避免人為因素造成軸承使用壽命期縮短，其中最主要的是要避免軸承拆裝過程中損壞。

4 結束語

由于機車軸承承受載荷的情況比較復雜，難以用計算的方法制定合理的使用壽命期，因此只有通過分析正常使用情況下軸承的實際使用壽命來制定合理的使用壽命期。本文通過分析內燃機車牽引電動機輸出端軸承、軸箱軸承、同步牽引發電機軸承承受載荷與使用壽命的關系，對這3種軸承的使用壽命期提出了修改建議，期望引起有關部門的重視。《規范》2000年4月發布至今已有12年，通過分析12年來內燃機車軸承使用情況應該能夠制定出更加合理的使用壽命期。上述3種軸承全部更換所需的費用約占內燃機車中修材料費支出的四分之一，制定合理的使用壽命期，既能確保鐵路運輸安全，又能節約材料費支出，達到兼顧鐵路運輸安全與效益兩全的目的。

［1］中華人民共和國鐵道部運輸局.機車軸承技術管理規范（試行）［S］.

［2］吳宗澤.機械設計師手冊（下冊）［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［3］馮庚斌，李 志.機車走行部的動態檢測［J］.鐵道機車車輛，2003，（6）：19－23，58.