發展中的軌道交通車輛用軸承

葉軍，楊立芳

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.西安交通大學，西安 710049)

“十二五”期間，中國國家鐵路運營的總里程將從目前的91 000 km增至120 000 km左右。其中，高鐵、城市軌道交通建設呈現出前所未有的發展局面，新一輪的軌道交通建設已經在全國范圍內逐漸展開，中國已成為全球最大的城市軌道交通市場。

軸承作為車輛運營安全的關鍵零部件，其性能和可靠性需達到更高的要求。目前，我國的軌道交通車輛用軸承正處于技術升級換代時期，中國軸承的技術水平與國際先進水平相比仍存在一定的差距，如動車、高鐵軸承還全部依靠國外進口。因此，學習先進的軸承技術，加速軌道交通車輛用軸承的國產化勢在必行。

在此，從軸承的結構設計、保持架、材料、潤滑與密封、標準5個方面，對牽引電動機軸承、軸箱軸承、齒輪箱軸承等軌道交通車輛關鍵軸承的技術發展進行介紹，以供參考。

1 軸承的結構設計

軌道交通車輛用軸承的技術發展應順應車輛安全運行、高速化、延長檢修期、提高運行舒適性的發展方向。

1.1 牽引電動機軸承

1.1.1 技術特點

牽引電動機是實現軌道交通車輛高速化的關鍵設備之一。隨著電力電子設備和控制技術的發展，牽引電動機逐步從直流電動機轉換為異步電動機，直驅式牽引電動機系統也在開發之中，以滿足電動機小型、輕量、節能、省維護、長壽命的使用要求。牽引電動機的轉速一般為2 000～4 000 r/min[1]，新型高鐵牽引電動機的轉速可達6 000 r/min， 7 000 r/min以上的高轉速牽引電動機已在研發中。

牽引電動機軸承主要承受徑向載荷，由于受運行時轉向架振動的影響，軸承還需承受一定的動載荷，實現頻繁的運轉、停止循環作業。與軸箱軸承和齒輪箱軸承相比，牽引電動機軸承的計算壽命要長得多。軸承的一般配置為：齒輪一側(傳動側)選用圓柱滾子軸承，反齒輪一側(換向器側)則使用深溝球軸承，潤滑方式大多采用脂潤滑[2-4]。為實現軸承的高速旋轉，有效抑止牽引電動機各部件的溫升，對軸承的熱處理工藝、絕緣性能、潤滑脂的耐熱性和耐久性以及保持架的引導方式進行了改進[2-3]。

1.1.2 絕緣軸承

牽引電動機中，由通過軸承的電流產生的電蝕極具危害，有可能使軸承內的潤滑脂提前老化，甚至造成軸承損壞。為防止電蝕現象，考慮價格和可靠性，采取絕緣軸承作為解決方案。牽引電動機所選用的絕緣軸承一般有3種：混合陶瓷軸承、陶瓷噴涂軸承、樹脂覆膜軸承[4]。

(1)混合陶瓷絕緣軸承，使用陶瓷材料制作滾動體或套圈，因牽涉到陶瓷的制備和加工，技術難度較高，但絕緣性和高速性能優異。陶瓷滾動體或套圈能徹底切斷電流通路，可較好防止電蝕損害。另外，陶瓷與鋼之間的接觸在不良潤滑狀態下不會出現“微焊”現象，即使在潤滑完全失效的狀態下軸承也不會卡住。但考慮到陶瓷的脆性破壞會造成嚴重后果，在高速列車中較少使用混合陶瓷絕緣軸承。目前，國內的混合陶瓷絕緣軸承還處于研究和試制階段[2-5]。

(2)陶瓷噴涂絕緣軸承，使用等離子體噴涂法，采用以氧化鋁為主的陶瓷粉末對外圈外徑面進行噴涂并進行絕緣化處理。為了防止高頻電流流過產生電蝕，噴涂的膜厚應大于0.3 mm[3,5]。NTN公司生產的絕緣軸承，外表面使用陶瓷和金屬的多層涂層，每層厚度均在0.2 mm左右；根據使用場合不同，也可僅使用1層陶瓷涂層[4]。目前，該型陶瓷絕緣軸承已成功應用于日本新干線300系、500系、700系動車組及我國的“和諧”號等動車及高鐵車組[4]。

(3)樹脂覆膜絕緣軸承，通過注塑成形法在外圈外表面噴涂PPS樹脂等絕緣物。PPS樹脂絕緣軸承的電絕緣性能優異、價格低廉，應用廣泛。PPS絕緣軸承雖然可防止電蝕，但由于PPS樹脂的導熱系數低，相較于非絕緣軸承，軸承內部容易形成高溫[4]。應用中為了保持PPS絕緣軸承的優異性能，提高熱傳導性，在原玻璃纖維增強PPS樹脂中加入非導電性的高熱傳導性填充物，使樹脂熱傳導率提高[3,5]。

1.2 軸箱軸承

軸箱軸承需承受整個車輛的車體重量及載重，還需承受運行中車輛搖擺產生的各個方向的力。除了承受靜態及動態徑向載荷外，還承受非恒定的軸向載荷。隨著車輛的高速化，為保證車輛的運行穩定性，要求車軸結構零件盡可能輕量化、小型化，即需要軸箱軸承實現緊湊化設計。而且，車輛的輕型化與節能緊密相關，可有效降低車輛對鐵軌的沖擊[3,6]。

近年來，國內外高速軌道車輛軸箱軸承已從油浴潤滑的帶擋邊圓柱滾子軸承發展為脂潤滑免維護密封式雙列圓錐滾子軸承，既承受徑向載荷，也承受軸向載荷，且滿足結構緊湊及輕型化的要求。采用脂潤滑密封形式可使維修簡化，并可通過減小軸承的軸向間隙提高運行穩定性[3]。

SKF公司將FEM有限元解析方法運用到軸箱軸承設計中，開發出緊湊型圓錐滾子軸承組件(CTBU)。軸承設計中采用了塑料保持架與低摩擦接觸密封，以縮短車軸，減小軸承引起的車軸彎曲，同時減輕簧下質量。CTBU組件內還裝有監測速度及軸承狀態的傳感器[6]。由于緊湊設計能延長維修周期，可進一步提高軸承性能與安全性，具有低運轉溫度、潤滑脂長壽命、最佳密封性能等特點，已得到廣泛地應用，也是軸箱軸承的發展方向[6]。

1.3 齒輪箱軸承

電動車輛牽引電動機的轉矩通過聯軸節先傳遞到齒輪裝置上的小齒輪軸，再由小齒輪傳遞到壓裝在車軸上的大齒輪，最后轉化為車輪/鋼軌系統的驅動力或制動力。齒輪裝置用軸承大多采用一對單列圓錐滾子軸承的組合[7]，與齒輪共同使用潤滑油。

齒輪箱軸承的作用是作為支承，在承受運行振動的同時，將旋轉力平穩地傳遞到車軸，設計時需要考慮振動載荷及轉速。圓錐滾子軸承的軸向游隙需要在裝配過程中精確調整。除了改進小齒輪結構控制軸向游隙外，也可使用不需要在裝配中調整軸向游隙的軸承，如采用三點或四點接觸球軸承與圓柱滾子軸承的組合。

近年來的技術發展有：改進結構控制軸承游隙；降低接觸面的表面粗糙度；改善潤滑結構以防止內圈燒傷；為防止潤滑油的攪拌發熱導致的內圈蠕變，對內圈進行尺寸穩定化熱處理[3]。

2 保持架

2.1 保持架結構

牽引電動機軸承采用滾動體引導的保持架。與原外圈引導保持架相比，可降低因高速旋轉而引起的軸承溫升，并減少磨損，改善潤滑脂基油向外圈滾道面的流入性[4]。

代表軸箱軸承發展方向的CTBU采用塑料保持架，并在保持架的窗孔上留有獨特的檢查窗孔，以方便檢查內圈滾道和大擋邊。

齒輪箱中的小齒輪軸作為輸入端軸，在高速旋轉下承受來自聯軸器的振動，容易使軸承保持架遭受磨損，甚至疲勞斷裂，因此使用帶有軟氮化處理表面層的加強型保持架[3,7]。

2.2 塑料保持架

塑料保持架采用注射成形方法制作而成，大多在聚酰胺樹脂中填充玻璃纖維，以提高機械強度、尺寸穩定性和耐沖擊性。國外原材料中的玻璃纖維在高分子合成過程中加入，具有極高的均勻性。而國產材料則在改性過程中加入玻璃纖維，均勻性較差，在一定程度上影響保持架的性能及穩定性。

塑料保持架質量大約是鋼制保持架質量的1/6，其力學性能優良，穩定性好，自潤滑效果佳，摩擦因數低，耐沖擊疲勞性能高，提高了軸承在貧油潤滑及高速運轉條件下的性能[8]。即使軸承處于損傷狀態，也不會引起旋轉障礙，可連續運轉[6]。在國外公司的無油試驗中，塑料保持架即使處于熔化、斷裂狀態，都未出現“抱軸”現象，大大延緩了故障的出現，防止或杜絕了熱切軸的發生，避免了惡性事故，提高了車輛運行的安全性。

SKF公司自1990年就在圓錐滾子軸承部件中使用了塑料保持架，并在實際應用中獲得了許多經驗和數據[6]； NTN公司采用保持架運動動態分析和先進的有限元分析設計方法開發出的塑料保持架，壽命達到普通材料的3倍以上[4]；FAG公司開發的圓柱滾子軸承，其保持架選用聚酰胺材料，與層狀環形結構的密封緊密配合，并使用添加了極壓添加劑的特種鋰皂潤滑脂，使其使用壽命可達到3 000 000 km[4]。

中國鐵路已將塑料保持架作為標準部件采用[6]。雖然塑料保持架性能優于金屬保持架，但根據其材料特性，塑料保持架的使用條件有限制，使用時需充分注意。

3 軸承材料

3.1 鐵路軸承用鋼

軸承鋼是決定軸承壽命和可靠性的關鍵因素之一，軌道交通車輛關鍵部位軸承工況嚴酷且變化多端，對軸承鋼的性能，除要求接觸疲勞壽命長、耐磨性高以外，還要求其具有強大的沖擊韌性和尺寸穩定性[9]。

提高軸承鋼壽命的首要途徑是提高鋼的純凈度，因為鋼中即使存在少量的氧化物、硫化物或氮化物夾雜，也會大大降低其使用壽命，因此，高級軸承鋼多采用電渣重熔法。另外，日本根據航空發動機用軸承材料的冶煉工藝進行高鐵軸承用鋼的冶煉，其超高潔凈度SAE4320鋼(與我國的G20CrNi2MoA鋼相當)采用真空精煉式生產(電爐→爐外精煉→RH真空脫氣→連鑄)方法，已在285 km/h的新干線700系高速列車軸承上得到使用[9]。

我國在軸承金屬材料的熱處理、加工工藝、表面改性等方面的研究還處在探索、試驗階段[9]。在研制高鐵軸承用鋼的過程中，相當大的努力都是針對軸承鋼的成分及其加工工藝所做的改進[4]。目前，已研究采用真空精煉滲碳軸承鋼代替電渣重熔軸承鋼和提高軸承鋼材料純凈度的工藝方法[10]。

針對軌道交通軸承用鋼的研究方向主要集中在以下幾個方面：

(1)熱處理工藝的研究，為保證貝氏體處理后的接觸疲勞壽命，確保高的斷裂韌性和高的沖擊韌性，就必須對熱處理工藝進行選擇及試驗研究[9-10]；

(2)鋼種的選擇，發展方向是采用GCr18Mo進行貝氏體等溫熱處理，還可考慮采用G20Cr2Ni4A鋼[9-10]；

(3)冶煉工藝的研究，鋼中氧含量是影響軸承使用壽命的關鍵因素，要求氧化物分布均勻、碳化物顆粒細小、低倍組織微密，必須研究既能獲得低氧含量，又能確保其他質量的冶煉工藝[9-10]。

3.2 陶瓷材料的應用

更高的要求，如高溫、高速、高精度等，僅依靠改進傳統的金屬軸承結構或改善潤滑條件已經遠遠不能達到要求，開發新型材料已是大勢所趨。研究發現，某些陶瓷材料具有特別優良的性能，可以在金屬材料和高分子材料難以擔當的苛刻工作環境中使用。

在具備軸承材料所必需的重要特性的同時，陶瓷材料的質量僅為鋼材質量的40%，該特點有助實現軸承的輕量化和高速化。在高溫條件下仍能保證高強度和高硬度，使陶瓷軸承具有良好的耐磨性。將陶瓷材料應用于軸承制造，已成為世界高新技術研發與應用的熱點[4]。

4 潤滑與密封

4.1 潤滑

與潤滑油相比，潤滑脂具有處理簡單、使用方便、無需儲油裝置等優點。因此，高速列車軸承以脂潤滑為主[1]，但當軸承與齒輪等其他零件一起潤滑時，如鐵路車輛驅動裝置中的軸承和齒輪，選用油潤滑。

選擇合適的油脂非常重要。軸承潤滑狀況的正確判定對制定列車維修周期具有指導意義。分解檢測周期由軸承使用壽命確定，潤滑劑在軸承零件中使用壽命最低，延長潤滑劑的使用壽命可延長維修間隔，降低成本。因此，對軸承潤滑脂狀態的評價是制定車輛維修周期的重要依據。

4.1.1 潤滑脂的發展

潤滑脂由液體的基礎油成分和能保持基礎油成分的稠化劑組成，不同油脂中還存在少量的添加劑。根據稠化劑的不同，油脂又可以分為鈉皂、鈣皂、鋰皂或鋇皂基等，以往大多使用鈉皂基，近年來鋰皂基潤滑脂逐漸成為主流。

直流電動機軸承一般用鋰基脂潤滑，隨著交流電動機的使用，為進一步提高軸承的耐熱性和耐久性，開發了復合鋰皂基潤滑脂[3]。

日立公司研究認為，軸箱軸承的潤滑品質由軸箱結構、軸承和潤滑脂3個要素決定。在改進軸承和軸箱結構的同時，研發了以烷基苯醚和多元醇酯混合物為基礎油，復合鋰為稠化劑并添加胺系和硫系添加劑的新型合成油潤滑脂，使用該潤滑脂的軸承壽命達到了以往新干線電動車軸承的3倍，實現了1 200 000 km非解體運行[1]。

NTN公司也開發了含有高性能添加劑的潤滑脂UPG2，溫升和壽命指標提高明顯[4]。合成油潤滑脂已成為高速鐵路機車軸承潤滑脂的主要研究發展方向[1]。

我國軌道交通車輛軸承潤滑脂經過幾代科研人員的研究，經歷了鈣鈉基、鋰基、鋰鈣基、極壓型鋰鈣基潤滑劑的發展過程，基本達到國外同類產品的先進水平。目前鐵道車輛滾動軸承Ⅳ型潤滑脂借鑒國外潤滑脂的技術特點，采用高級脂肪酸鋰鈣皂稠化深度精制的石蠟基基礎油，同時加入抗氧劑、防銹劑、極壓抗磨劑等添加劑，具有良好的機械安定性、膠體安定性、極壓抗磨性、抗氧化性、防銹性、抗水性和長壽命等特點，可滿足鐵路貨車提速、重載、延長檢修期等要求[11]。

4.1.2 軸承箱潤滑脂室結構

軸承箱是安裝軸承和填充潤滑脂的部件，潤滑脂室的結構對軸承的潤滑性能、壽命有著重要的影響。國內普遍采用簡單的環形潤滑脂室，缺少對潤滑系統的研究及試驗分析。國外成功的軸承箱潤滑脂室結構，除設計有環形潤滑脂主油腔外，還設計有副油腔。主油腔防止潤滑脂因攪拌而引起的老化并改善潤滑脂基油在軸承內的流入性，副油腔則用來增加潤滑脂的封入量，旁通孔和開式氣孔利用機內負壓防止塵埃、雨水侵入。試驗證明，提高潤滑脂室主油腔深度，加大主油腔和副油腔的接觸區，有助于提高軸承潤滑脂的使用壽命[4,12-14]。

4.1.3 軸承潤滑脂的定量管理

采用合適的注脂工藝和注脂量，可有效地延長軸承使用壽命。潤滑脂的填充量與軸承溫升及壽命相關，為保證牽引電動機絕緣軸承的性能及特性，應量化填充潤滑脂[4,15]。

4.1.4 非解體維護

非解體維護是指對軸承故障的檢查、清洗、填充新潤滑脂等工序全都在非解體狀態下進行。針對非解體維護的要求，除開發延長解體周期的長壽命潤滑脂外，還要研究不用解體就能進行潤滑脂清洗的非分解式軸承結構。對于運行到檢查距離的車輛牽引電動機，在完全非拆卸狀態下通過振動分析和熒光X射線對軸承進行成分檢查；對繼續使用的軸承采用高溫、高壓水及真空復合裝置進行清洗并填充新潤滑脂[3-4,16]。

4.2 密封

軸承上設有密封裝置，其作用是防止軸承的潤滑劑向外部滲漏，并防止由于灰塵及水等異物的侵入而導致潤滑作用喪失。

軸箱軸承上使用了稱為油封的密封裝置，由橡膠材料與金屬環、彈簧等構成，油封的楔形唇口與擋油環接觸，保證了密封性能。經試驗研究，目前已確認氟化橡膠制油封的耐久性、機械強度優于丙烯酸酯橡膠制油封。另外，為適應高速化需求，抑制密封唇與軸的剝離，改進了填充劑；為防止列車進出隧道時由于空氣壓力變動引起的唇口姿態變化，對油封唇口部的尺寸及形狀進行改進，提高了唇口剛度[17-18]。

SKF公司開發的緊湊型圓錐滾子軸承帶有內置式低接觸密封，其以低摩擦橡膠密封的機理為基礎，將迷宮式密封、唇形密封、拋油板零件組合使用，可靠地隔離了污染，實現了潤滑脂的長壽命化與節能。軸承設計中取消了密封座和襯墊，密封件內置于軸承內、外圈中間，節省了空間，抑制了車軸彎曲。在內圈與后蓋的配合面上設計有聚合物襯墊，避免了鋼與鋼之間的摩擦腐蝕導致的軸向間隙增大，從而阻止異物進入軸承[6]。

5 有關標準

美國一般使用美國鐵路協會標準(AAR)，其以北美的貨車為應用對象[17]。

歐盟成員國已開始使用通用的鐵路軸承標準，主要包括：以車軸軸承為對象的滾動軸承標準EN12080，潤滑脂標準EN12081和性能試驗標準EN12082，基本內容見表1。另外，歐盟成員國對貫穿產品整個生命周期的(從對產品的可行性分析研究到產品報廢)有關可靠性、可用性、可維修性和安全性的標準(RAMS)也已經建立。

表1 鐵路車輛軸承EN標準[7]

日本曾制定國有鐵路標準(JRS)，包含鐵路軸承和潤滑劑的標準內容，但1982年該標準被廢止。目前日本鐵路車輛工業會正在推進制定公共團體標準(JRIS)，內容包括以車軸軸承為對象的壽命計算方法及性能試驗方法等[17]。上述RAMS標準化過程也已經在日本開展[7]。

6 結束語

目前，我國高速軌道交通正實現跨越式發展，相關新產品、新技術的不斷引入，為軌道交通車輛軸承的技術應用積累大量經驗，這必將大大促進國內軌道交通車輛軸承自主創新技術的發展，推動軌道交通車輛軸承關鍵技術、共性技術和配套技術的進步。

國內專業鐵路軸承制造廠家和科研機構、大學等已投資和向國家申報了相關的高鐵軸承的研究項目，并獲得了國家的相應支持。通過國內外有關軌道交通車輛軸承的技術調研及技術論文的收集，綜述了國內外軌道交通車輛用軸承的發展現狀及關鍵技術，希望能對軸承行業的同行起到一定的參考和借鑒作用。