北京地鐵8號線車輛軸箱軸承國產化研制和試驗

王紅艷，李 熙，宗立明

（北京市地鐵運營有限公司 技術研發(fā)中心，北京 102208）

北京地鐵8號線車輛軸箱軸承國產化研制和試驗

王紅艷，李 熙，宗立明

（北京市地鐵運營有限公司 技術研發(fā)中心，北京 102208）

為降低軸箱軸承維修成本及縮短產品采購周期，對北京地鐵8號線車輛軸箱軸承進行國產化研制。介紹了國產化軸箱軸承研制中的主要設計技術要求、制造工藝、壽命試驗、跑合試驗及裝車考核試驗。通過一系列試驗表明，國產軸箱軸承已完全滿足北京地鐵8號線列車的產品技術條件和運用要求。

地鐵；車輛；軸箱軸承；國產化研制；試驗

軸箱軸承是地鐵車輛連接輪對與構架的活動關節(jié)，并傳遞牽引力、橫向力和垂向力的關鍵部件，其運轉狀態(tài)直接關系到車輛的乘坐舒適度與運行安全。目前，北京地鐵8號線所有車輛軸箱軸承的備件供應均采用國外技術國內組裝或原裝進口產品，因此，軸承采購及維修周期時間較長，成本也較高。為有效降低軸箱軸承維修成本，縮短采購周期，北京地鐵聯(lián)合西北軸承股份有限公司對北京地鐵8號線列車進口軸箱軸承進行國產化開發(fā)和研制。

1 北京地鐵8號線現(xiàn)有軸箱軸承概況

北京地鐵8號線于2008年7月19日開通，其軸承采用120JRF11S8CG125型軸承，其原產品技術條件如下：

（1）結構型式為有軸箱結構，軸承為自密封整體結構，軸承安裝時需采用專用工具進行壓裝。

（3）徑向間隙：0.100 mm～0.150 mm；軸向間隙：0.55 mm～1.1 mm。

（4）額定負荷：額定動負荷：Cr≥830 kN；額定靜負荷：C0r≥1 350 kN。

（5）在北京地鐵8號線電動客車的使用環(huán)境和正常的使用條件下，軸承的正常質量保證期為100萬km，軸承的正常使用壽命大于250萬km，80萬km免維護。

2 國產軸箱軸承的研制

2.1 主要設計技術要求

國產軸箱軸承的內、外圈和滾子材料均采用GCr15優(yōu)質電渣重熔鋼，其設計及安裝尺寸依據原產品技術要求設計[1,6～7]。軸承結構采用雙列圓柱滾子軸承，其中外圈為三擋邊，內圈為單擋邊設計。套圈擋邊選擇了傾斜角為20′的斜擋邊設計[2～3]，這種結構能有效改善滾動體與擋邊的接觸狀態(tài)，有利于潤滑油膜的形成，并減少擋邊磨損。保持架為實體結構，采用斜兜孔帶鎖量設計[4]。

軌道車輛軸承運行環(huán)境的特殊性，要求軸承必須具有非常高的可靠性和穩(wěn)定的壽命，因此設計輕軌軸承時按軸承設計中最高可靠性系數(shù)99%[5]進行計算，理論設計壽命達到了200萬km以上，軸承壽命計算過程如下：

軸承額定動載荷：Cr=843 kN；車輪直徑：D=840 mm；最大速度：vmax=80 km/h；當量動載荷：P=7t = 7×9.8=68.6kN，則

當可靠性系數(shù)Re=0.21，即可靠度為99%時，Lna =ReL10k=0.21×11295023=2363554 km即按最高可靠度計算軸承的理論計算壽命可以達到236萬km。

2.2 國產軸箱軸承的試制

滾動軸承的主要生產工序為下料、鍛造、車加工、熱處理、磨加工、裝配等，國產軸箱軸承的主要加工工藝流程如圖1所示。

圖1 國產軸箱軸承制造工藝流程

2.2.1 套圈試制

軸承套圈的加熱、鍛造、退火、淬火等過程需要經過非常復雜的工藝過程。例如，套圈鍛造的終鍛溫度通常在850℃～900℃，需快速降低到700℃，防制碳化物的析出。通常鍛件采用自然冷卻，為保證產品質量，自制噴霧冷卻裝置，確保鍛造組織合格。為使軸承套圈獲得合格的金相組織和硬度，需要對軸承套圈進行下貝氏體鹽浴等溫淬火。把軸承零件加熱使其奧氏體化并均勻化后，使之快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)間（260℃～400℃），放入溫度稍高于Ms點的硝鹽浴或堿浴中，等溫保持一定時間（一般在浴槽中保溫時間為30 min～60 min），使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w，然后取出置于空氣中冷卻。

2.2.2 保持架試制

保持架采用高強度鋁青銅離心鑄造毛坯，外形車制，兜孔在數(shù)控立式加工中心加工，插床清根，最后去毛刺、噴砂處理的工藝流程，保證了保持架的外形尺寸和兜孔的幾何精度。

2.2.3 滾動體試制

對滾動體按如下工藝進行加工：車外徑—切斷—軟磨外徑—軟磨端面—車倒角—熱處理—噴砂—粗磨外徑—粗磨端面—細磨外徑—細磨端面—精磨外徑—磨弧坡—超精外徑—探傷—終磨外徑—清洗—總檢分組—涂油包裝。

2.2.4 軸承裝配

經過磁粉探傷、尺寸檢驗、幾何精度檢驗的零件進入裝配進行組裝。為了保證裝配質量，設計制作了壓裝設備裝入滾子，避免敲擊生成對滾子表面損傷。密封罩的壓裝采用油壓機平穩(wěn)壓入。組裝完成后對尺寸、游隙、注脂量進行100%檢驗。

2.2.5 潤滑和密封系統(tǒng)

考慮到北京地鐵8號線軸箱軸承的使用及維護要求，填裝的軸承潤滑采用運用于高鐵車輛軸箱軸承的Ⅳ型鐵道專用潤滑脂。另外，軸承密封罩與密封槽為過盈配合，密封槽設計為帶20°引導坡，采用油壓機進行壓裝，壓入平穩(wěn)，易調控，其合格率達到100%。

3 國產軸箱軸承的試驗

國產化軸箱軸承樣品研制后，為驗證其性能是否滿足北京地鐵8號線地鐵列車的使用要求，而進行了軸箱軸承壽命試驗、跑合試驗和裝車考核試驗。

3.1 壽命試驗和跑合試驗

為驗證生產的國產化NNJP 5224X2-2Z Q/ P69YA軸箱軸承的實際使用壽命與可靠性，西北軸承參考城市軌道車輛的實際工況，對兩套新制樣品在西北軸承試驗站進行了2年（120萬 km）的壽命試驗。同時，委托國家軸承質量監(jiān)督檢驗中心洛陽軸承研究所檢驗實驗室進行120萬km壽命試驗，整個試驗過程中未更換或添加過潤滑脂。試驗后的軸承外形尺寸基本保持了原始狀態(tài)，硬度未發(fā)生變化，僅外觀出現(xiàn)正常運行痕跡。圖2是經120萬km壽命試驗完成后的國產軸箱軸承。

圖2 經120萬km壽命試驗完成后的國產軸箱軸承

軸承壽命試驗完成后即進行進口和國產軸箱軸承的換裝，并進行軸箱跑合試驗。所有軸箱經跑合試驗后的溫升不超過溫度報警標準參照GB/T7928-2003中的9.6給出的標準值30℃。

3.2 不載客考核試驗

換裝及跑合試驗結束后，即進行國產化軸箱軸承裝車考核試驗，試驗計劃分不載客考核（包括空載試驗和重載試驗）和正線運營考核試驗。裝車考核期間，在北京地鐵8號線一列車上安裝了48套國產軸箱軸承，不載客試驗考核總里程為1 000 km。

3.2.1 JK10450系統(tǒng)實時監(jiān)測結果分析

通過安裝在8號線一列車上的JK10450系統(tǒng)實時監(jiān)測并采集軸箱軸承的沖擊、振動、溫度數(shù)據，并通過內置的故障診斷系統(tǒng)實時檢測軸箱軸承是否發(fā)生報警。車輛試驗回庫后對監(jiān)測數(shù)據進行下載，然后導入JK10450數(shù)據管理與地面分析系統(tǒng)進行分析，并與換裝前安裝進口軸箱軸承車輛的溫升和振動情況進行對比，確認國產化軸箱軸承運行狀態(tài)。

圖3 試驗車某一軸位的沖擊波形圖

圖3 給出的是試驗車某一軸位的沖擊波形圖，從圖中可以看出：時域波形圖經轉換形成的頻譜圖與診斷抽象譜圖不能相對應，所以試驗車軸箱沒有受到明顯沖擊，即該車各軸位無明顯故障信息。

圖4和圖5給出的是安裝國產軸箱軸承的車輛在空載和重載（第11天～12天）試驗下軸箱軸承的溫升及軸承換裝前后的溫升對比情況。從圖4可以看出：試驗車空載時軸箱最高溫度40.7℃，最高溫升18.5℃；重載時的最高溫度44.6℃，最高溫升20.2℃。從圖5的軸箱溫升對比曲線可以看出：更換國產軸箱軸承后，軸箱最高溫度與溫升均增大，但均在軸承溫度國標報警參照標準值30℃范圍內。

圖4 空載和重載下試驗車軸箱最高溫度和溫升

圖5 試驗車換裝前后的軸溫對比

圖6 和圖7給出的是試驗車在空載和重載（第11天～12天）試驗下軸箱的振動及換裝前后軸箱振動的對比情況。從圖6可以看出：試驗車空載時軸箱振動的最大值為45.4 g，重載時振動的最大值為47.3 g，均在振動報警標準參照GB/T21563-2008中的許可范圍內。從圖7的軸箱振動對比曲線可以看出：更換國產軸箱軸承的試驗車輛軸箱振動的最大值和平均值都有變小。

圖6 空載和重載下試驗車的軸箱振動

3.2.2 人工測溫結果分析

車輛回庫后，采用紅外測溫槍人工測量軸箱溫度，測量點位于軸箱體外徑最薄處，測量結果與溫度報警標準值進行比較。圖8給出了空載和重載下試驗車1車8組軸箱溫升變化情況，與另外5節(jié)車的軸箱溫升進行比較，可以得到：試驗車空載時軸箱最高溫升是15℃，重載時的最高溫升是24.8℃，均在軸承溫度國標報警標準值30℃范圍內。

圖7 試驗車換裝前后軸箱的振動對比

圖8 試驗車空載和重載試驗下1車8組軸箱的溫升變化

圖 9給出了試驗車空載和重載試驗下48組軸箱軸承平均溫升變化曲線。從曲線可以看出：空載時軸箱的平均溫升是11.1℃；重載時平均溫升是19.95℃。由于試驗里程較短，軸承還處在磨合期，軸箱溫升沒有明顯下降的趨勢。在試驗過程中軸承沒有發(fā)生故障，最高溫升沒有超過國標報警標準值。所以，國產軸箱軸承能夠完全滿足試驗目標。

4 結束語

經過各項試驗表明，北京地鐵8號線車輛國產軸箱軸承潤滑性能良好、運行平穩(wěn)，總體性能良好，滿足了北京地鐵8號線地鐵車輛的運行要求，也有效降低了車輛維修成本，縮短了同類備件的采購周期。后續(xù)將要進行國產化軸箱軸承10萬km的正線運行考核，以考察國產化軸箱軸承是否滿足北京地鐵8號線地鐵車輛的正線運行性能要求。

圖9 試驗車空載和重載試驗下48組軸箱軸承平均溫升變化

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[3] 鄧四二，賈群義.滾動軸承設計原理[M].北京：中國標準出版社，2008.

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[5] 楊曉蔚.鐵路軸箱軸承的可靠性[J].軸承，2013（10）：5-7，11.

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[7] 郭云飛，高國臣，劉 偉.雙列短圓柱滾子軸承外圈油孔內倒角機設計[J].哈爾濱軸承，2012（1）.

責任編輯 方 圓

Localized preparatory manufacture and test of vehicle axle box bearing for Beijing Metro Line 8

WANG Hongyan, LI Xi, ZONG Liming
( Technology Research and Development Centre, Beijing Metro Operation Co., Ltd., Beijing 102208, China )

In order to reduce the maintenance cost of axle box bearing and shorten the axle box bearing purchase period, the localized preparatory manufacture of vehicle axle box bearing for Beijing Metro Line 8 was taken. The main design technical requirements, manufacturing process, life test, performance test and the operation trial of the manufactured axle box bearing were induced. Results of all the tests showed that the vehicle axle box bearing could meet the needs of the running requirements of Beijing Metro Line 8.

metro; vehicle; axle box bearing; localized preparatory manufacture; test

U266.2∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0054-04

2014-12-30

王紅艷，助理工程師；李 熙，高級工程師。