某型動車組軸箱軸承溫升規(guī)律及試運行優(yōu)化方案研究

許帥帥，周斌，姜陳，謝明源

(中國鐵路上海局集團有限公司 a.上海動車段；b.高鐵運維技術(shù)中心，上海 201812)

軸箱軸承是動車組傳動系統(tǒng)中的重要組成部分，其運行狀態(tài)影響動車組運行的安全性和穩(wěn)定性。經(jīng)統(tǒng)計，自2016年以來，某動車段配屬的某型動車組共發(fā)生9起新?lián)Q輪對軸箱軸承初始運行階段溫度過高，并達到預(yù)(報)警閾值的故障，造成動車組途中停車或限速運行。根據(jù)動車組控制邏輯，軸承發(fā)生暖軸報警后動車組停車檢查，并在后續(xù)交路中限速200 km/h,發(fā)生熱軸報警后動車組停車檢查，后續(xù)動車組自動限速40 km/h，回所后需檢查軸承結(jié)構(gòu)及油脂情況，若檢查結(jié)果超限，要更換輪對。

對疑似故障軸承全部進行分解檢查，套圈、保持架及滾子均未發(fā)現(xiàn)異常磨損情況，潤滑脂質(zhì)量及潤滑脂金屬含量未超標(biāo)，通過聯(lián)合主機廠進一步確認了動車組新?lián)Q輪對軸承初始運行時存在勻脂不均,溫度驟升的現(xiàn)象。

目前動車組常用軸箱軸承為圓柱滾子軸承及圓錐滾子軸承，均為脂潤滑。軸承潤滑分為走合階段和正常運行階段[1]，走合階段也稱為潤滑脂勻脂磨合階段。軸承完成勻脂磨合后，能夠有效避免零件因直接摩擦產(chǎn)生的大量熱堆積，使軸承進入正常的穩(wěn)定運行階段。

9起軸承溫度高故障中的新?lián)Q輪對軸承沒有經(jīng)過勻脂磨合。目前，對于軸承在運用前是否需要進行潤滑脂勻脂磨合以及如何進行勻脂磨合，國內(nèi)外主要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均沒有做出規(guī)定。國際上，歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12080：2007《Rail application—Axleboxes—Rolling bearings》及BS EN 12081：2007《Rail application—Axleboxes—Lubricating greaes》規(guī)定了軸箱滾動軸承的技術(shù)參數(shù)、形狀參數(shù)和材料等，而對軸承裝車前后是否需要跑合試驗沒有規(guī)定。我國國家鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如TB/T 2235—2010《鐵道車輛滾動軸承》規(guī)定了鐵道車輛滾動軸承的測量和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，也沒有明確軸承裝車前后是否需要跑合試驗[2]。

目前，我國動車組軸箱軸承新造及檢修組裝后均未進行勻脂磨合，主要依靠軸承裝車后的回送及試運行完成跑合。從實際運用情況來看，并不能完全滿足勻脂磨合的要求。因此，軸承在載客運行初期容易出現(xiàn)勻脂不均，溫度驟升從而達到預(yù)(報)警閾值[3]，造成動車組停車或限速。現(xiàn)分析軸承運行原理，并對故障軸承進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，研究軸承溫度變化規(guī)律。

1 故障分析

1.1 試運行分析

9起軸承溫度高故障中，8起是動車組在試運行時軸承溫度較低，首次上線載客，在300 km/h速度下持續(xù)運行較長時間后，軸承溫度升高,溫升增加，達到了預(yù)警閾值(最高溫度115 ℃,與同車同側(cè)軸承溫差達到45 ℃)；另1起故障是動車組還未進行試運行，高級修修竣后回送途中，在300 km/h速度下持續(xù)運行較長時間后產(chǎn)生。對故障軸承進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并與非故障軸承進行對比，分析試運行階段及載客運行初期軸承溫度的規(guī)律，結(jié)果如圖1、圖2所示，圖中1#—9#為故障軸承，10#—16#為非故障軸承。溫差指軸承溫度與環(huán)境溫度的差值。

圖1 軸承試運行及載客期間最大軸溫

圖2 軸承試運行及載客期間最大溫差

由圖1、圖2可知，載客運行初期，故障軸承、非故障軸承的最大溫度和溫差均比試運行期間高，軸承在載客運行初期易出現(xiàn)軸承溫度升高及溫升增加的現(xiàn)象。

目前，動車組試運行均嚴格按照文獻[4]的相關(guān)規(guī)定，上海動車段配屬動車組試運行情況見表1。

表1 動車組試運行要求

其中，動車組有動力回送里程納入試運行里程統(tǒng)計，返廠高級修回送限速250 km/h。現(xiàn)分別對以上各工況下的新?lián)Q輪對軸承溫度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

1.1.1 臨修換輪動車組試運行及載客軸溫分析

統(tǒng)計某動車段2017年1—7月輪對更換情況，某型動車組共臨修換輪122條，共計244套軸承，對新?lián)Q輪對軸承溫度在不同工況下的溫度變化規(guī)律進行分析。其中221套新?lián)Q軸承在載客初期的軸溫比試運行時的高，占91%以上。

91%的新軸承在試運行、載客運行5 d內(nèi)的最大軸溫和溫差變化趨勢和分布分別如圖3、圖4所示，圖中橫坐標(biāo)0～6分別表示試運行及載客1～5 d各階段的序號。

圖3 91%的新軸承在試運行、載客運行時最大軸溫統(tǒng)計圖

圖4 91%的新軸承在試運行、載客運行時最大溫差統(tǒng)計圖

由圖可知，載客運行初期軸承最高溫度與最大溫差均較大，且易達到軸承監(jiān)控預(yù)警閾值，之后隨著運行時間及里程的增加，軸承溫度不斷降低，且最終穩(wěn)定在60 ℃內(nèi)。

同理，對9%的試運行時軸溫比載客時高的軸承進行分析，試運行時軸承最高溫度與最大溫差均較大，隨著運行時間及里程的增加，軸承溫度不斷降低，且最終趨于穩(wěn)定。

綜上，按現(xiàn)有臨修換輪試運行要求，新?lián)Q輪對軸承在試運行期間勻脂不充分，在載客運行初期繼續(xù)進行勻脂磨合，造成軸承溫升變化較大，甚至達到或超過軸溫預(yù)警閾值。

1.1.2 三級修動車組試運行及載客軸溫分析

該動車段2017年1—7月間共有23列動車組進行三級修，其中返廠三級修動車組14標(biāo)準(zhǔn)組，共計768套軸承；在該動車段高級修基地三級修動車組16標(biāo)準(zhǔn)組，共計864套軸承，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 三級修造動車組軸承統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表2可知，返廠三級修動車組中92%軸承的載客初期軸溫比試運行及回送過程中高，只有8%的軸承能夠在回送及試運行期間達到最大軸溫。在動車段高級修基地三級修動車組中30%的軸承在試運行時達到最大軸溫，載客運行階段溫度不斷降低并趨于穩(wěn)定，說明在試運行階段，軸承完成了有效的勻脂磨合；載客運行后達到最大軸溫的軸承占70%。分析動車組試運行階段實際工況發(fā)現(xiàn)，共同特征為：在試運行階段，雖然試驗及跑合里程滿足了不少于1 000 km的要求，但試驗速度大部分未達到300 km/h，并且由于例行試驗以及跑合階段停車避讓的影響，動車組高速運行不連續(xù)。

運用臨修換輪的分析方法，分析三級修新?lián)Q輪對軸承溫度在不同運行階段的變化趨勢，結(jié)果表明：返廠三級修動車組回送和試驗試運行期間軸承溫度變化較明顯，存在勻脂磨合過程；在載客運行初期，大部分軸承達到最大溫度，甚至達到溫度或溫差預(yù)警閾值，之后溫度趨于平穩(wěn)。說明現(xiàn)行的三級修試運行及回送要求不足以使所有軸承完成勻脂磨合，造成軸承在載客運行初期產(chǎn)生軸溫高、溫差大，超過動車組預(yù)警閾值。

1.1.3 四、五級修和新配屬動車組試運行及載客軸溫分析

該動車段2017年1—7月間共有6列動車組進行四級修，其中在動車段高級修基地維修4列，返廠2列，另有2列新造動車組配屬該動車段。按照分析三級修試運行及上線載客軸溫變化的方法，對上述動車組軸承進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 四、五級修和新配屬動車組軸承統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表3可知，該動車段四級修動車組軸承中65%能夠在試運行期間達到最大軸溫，35%在載客運行初期達到最大軸溫，說明目前對于動車段四級修后的動車組，試運行要求能使部分軸承完成有效勻脂磨合，而不能確保全部軸承完成該過程。

返廠四級修及新配屬動車組試運行要求相同，有22%軸承能夠在回送或試運行期間達到最大軸溫，78%軸承在載客運行初期達到最大軸溫，并且出現(xiàn)軸承溫度較高,溫差較大的情況，說明目前返廠四級修及新配屬動車組在回送及試運行期間，大部分軸承沒有完成有效勻脂磨合。

1.1.4 小結(jié)

綜上所述，軸承不能在現(xiàn)行的試運行標(biāo)準(zhǔn)下形成有效勻脂磨合，導(dǎo)致軸承運行初期極易出現(xiàn)溫度或溫差超過預(yù)警閾值。

1.2 相關(guān)影響因素分析

選取2016年以來的故障軸承作為研究對象，在運行各階段間速度等級、持續(xù)運行時間和最大軸溫的統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。由圖可知：在試運行階段，速度超過250 km/h時，故障軸承溫度為70 ℃，高于250 km/h下的溫度(60 ℃)；載客運行初期以300 km/h的速度運行時，軸承溫度更高，達100 ℃以上，說明運行速度對于軸溫有明顯影響。

圖5 故障軸承試運行及載客期間速度等級、持續(xù)運行時間及最大軸溫統(tǒng)計圖

對所有故障軸承溫度進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，試運行階段高速持續(xù)運行時間較短，90%以上的故障軸承持續(xù)運行時間不超過6 min，軸承溫度較低，在后續(xù)載客持續(xù)運行較長時間(長大交路)后，軸承溫度迅速升高，且快速達到最大軸溫并超過預(yù)警閾值，說明高速下持續(xù)運行時間對軸承有效勻脂磨合有一定影響。

綜上，軸承勻脂磨合過程的影響因素包括現(xiàn)行試運行要求、速度等級和持續(xù)運行時間。

1.2.1 速度等級對于軸承勻脂的影響

返廠高級修回送過程中限速250 km/h，里程超過1 000 km；在動車段高修場進行的三級修動車組試運行速度為300 km/h，里程不少于1 000 km。回送與試運行期間，運行速度等級對比性較強，分別以250，300 km/h速度等級研究速度對軸承勻脂磨合的影響。

該型動車組返廠三級修修竣后，某車廂中一個轉(zhuǎn)向架上所有軸承各階段下的溫度變化趨勢如圖6所示。由圖可知，回送期間，開始階段軸承溫升較快，達到一定溫度后溫升不斷減小，這表明回送期間軸承存在勻脂磨合過程。在試運行期間，軸承溫度較低，最高為50 ℃。上線載客期間在300 km/h速度等級下持續(xù)運行10 min，最大軸溫為77.13 ℃，比回送及試運行期間的高，說明300 km/h速度等級下軸承進一步有效地完成了勻脂磨合，并且在之后的載客過程中，軸承溫度較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)溫度過高的情況。

圖6 各階段下新?lián)Q輪對軸承溫度變化趨勢

2017年1—7月該動車段進行三級修檢修的動車組軸承的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。

由表4可知，在運行里程滿足試運行要求的情況下，300 km/h速度等級下試運行期間軸承達到最大軸溫的數(shù)量大于250 km/h速度等級下的，說明較高速度等級對于軸承有效勻脂磨合有一定的促進作用。對返廠三級修中未在250 km/h速度等級下完成有效勻脂的軸承進行跟蹤，統(tǒng)計出實際載客上線后，在300 km/h速度等級下達到最高軸溫，形成有效勻脂磨合的總里程與對應(yīng)的軸承數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 300 km/h速度等級下完成有效勻脂磨合軸承數(shù)與實際上線交路里程統(tǒng)計表

由于部分軸承數(shù)據(jù)缺失，表5為統(tǒng)計的640套軸承數(shù)據(jù)信息。由表5可知，實際載客運行600 km時，82%以上的新?lián)Q輪對軸承完成了有效勻脂磨合；當(dāng)運行里程達到1 000 km時，該比例達到97%以上。而動車組返廠三級修回送里程為1 300 km，在250 km/h速度等級下，只有60套軸承完成了有效勻脂磨合。

說明了在運行里程基本相同的情況下，相比于250 km/h速度等級，300 km/h速度等級可使軸承更快形成有效勻脂磨合。

對比不同速度等級下軸承溫度變化趨勢可知，運行速度等級越高，軸承溫度驟升現(xiàn)象越明顯，對軸承快速形成有效勻脂的影響也越明顯。

1.2.2 有效速度等級下的運行時間對于軸承勻脂的影響

對新?lián)Q輪對軸承溫度超過和未超限定標(biāo)準(zhǔn)的動車組進行數(shù)據(jù)分析，分別對前文中9起故障動車組及臨修新?lián)Q輪對軸承溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在300 km/h速度等級下，若新?lián)Q輪對軸承持續(xù)運行時間較短，軸承勻脂效果不明顯，在載客運行初期軸承易出現(xiàn)溫度急劇升高甚至超過限定標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。

該型動車組試運行后上線載客運行期間軸承溫度變化趨勢如圖7所示。

由圖7可知，試運行期間動車組某車廂3軸左側(cè)軸承最高溫度為72 ℃；試運行后初次載客運行期間，該軸承以300 km/h速度持續(xù)運行22 min后，軸承達到最高溫度121 ℃，比同轉(zhuǎn)向架同位置軸承溫度高40 ℃，在運行交路內(nèi)，持續(xù)運行時間更長，約48 min，故障軸承溫度呈下降趨勢，且與同車其他軸承溫度逐漸趨于一致。這說明軸承需在高速下持續(xù)運轉(zhuǎn)一定時間才能完成勻脂磨合。

根據(jù)運用現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，分析軸承形成有效勻脂磨合的時間規(guī)律。統(tǒng)計2017年1—7月該動車段122條經(jīng)過臨修更換的新輪對，跟蹤每套輪對軸承在試運行及載客初期的溫度變化趨勢。試運行后的載客運行初期，在持續(xù)高速運轉(zhuǎn)后新?lián)Q輪對軸承溫度達到最高，之后溫度逐漸下降并趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計軸承達到最高溫度時在300 km/h下的持續(xù)運行時間及軸承數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 300 km/h下臨修更換新輪對軸承持續(xù)運行時間和數(shù)量統(tǒng)計圖

由圖8可知，在持續(xù)運行30 min，達到最高軸溫完成勻脂磨合的軸承占93%以上，持續(xù)運行30 min以上才能完成勻脂磨合的軸承占7%，這說明持續(xù)運行30 min，新?lián)Q輪對軸承基本上能夠完成有效勻脂磨合。

因此，臨修換輪軸承有效勻脂磨合的里程可根據(jù)持續(xù)運行時間測算，由于臨修換輪試運行要求前100 km限速250 km/h，實際在300 km/h速度等級下持續(xù)運行30 min能夠使93%以上的軸承完成有效勻脂磨合，考慮到動車組加速、減速過程的里程，可以測算完成單程試運行里程約300 km，試運行往返全部里程為600 km。

同理，對三級修軸承勻脂有效時間進行統(tǒng)計，為便于數(shù)據(jù)歸類整理，統(tǒng)計返廠三級修回送及試運行期間未達到最高軸溫，且在后續(xù)載客期間以300 km/h速度等級達到最高軸溫的軸承總數(shù)為708套，在該速度等級下軸承持續(xù)運行時間及數(shù)量統(tǒng)計圖如圖9所示。

圖9 300 km/h下三級修后載客期間軸承持續(xù)運行時間和數(shù)量統(tǒng)計圖

由圖9可知，三級修新?lián)Q輪對軸承在300 km/h速度等級下，持續(xù)運行40 min完成有效勻脂磨合的軸承占98%以上，完成勻脂磨合需要持續(xù)運行40 min以上的軸承只占2%。

1.2.3 小結(jié)

綜上，結(jié)合試運行要求，可以得出三級修試運行期間，能夠使大部分軸承完成有效勻脂磨合的要求為300 km/h速度等級下持續(xù)運行40 min。由于四、五級修及新配屬動車組其試運行里程較三級修高，試運行速度等級要求相同，因此三級修的軸承有效勻脂磨合要求對其他高級修及新配屬動車組同樣適用。

2 結(jié)論

1)現(xiàn)行臨修換輪及高級修試運行標(biāo)準(zhǔn)要求不能保證輪對軸承完成有效勻脂磨合。由于速度及里程的影響，軸承無法完成勻脂磨合，使其在載客運行初期易產(chǎn)生溫度過高的現(xiàn)象。

2)速度等級越高，對軸承有效勻脂磨合的促進作用越明顯。相比于250 km/h速度等級，300 km/h速度等級能使新軸承更加有效、快速地完成勻脂磨合。

3)軸承快速完成有效勻脂磨合要滿足的條件為300 km/h速度等級下至少持續(xù)運行30 min，單程試運行里程不少于300 km；在結(jié)合高級修試驗及跑合試運行過程中，軸承需在300 km/h速度等級下至少持續(xù)運轉(zhuǎn)40 min。

4)載客運行初期，在高速度等級下軸承進行長大交路持續(xù)運行時，易產(chǎn)生軸溫高,溫差超過預(yù)警閾值的現(xiàn)象。

3 建議

3.1 優(yōu)化試運行方案

臨修換輪試運行優(yōu)化方案為：試運行前100 km按照250 km/h速度等級運行，軸溫正常后，在300 km/h速度等級下持續(xù)運行不少于30 min，單程總里程不少于300 km。

高級修及新配屬動車組試運行優(yōu)化方案為：在不少于試運行規(guī)定里程前提下，動車組可結(jié)合高級修試驗及跑合試運行過程，以300 km/h速度等級持續(xù)運行不少于40 min。

3.2 優(yōu)化載客運營初期交路安排

由于新?lián)Q輪對軸承在載客運行初期存在勻脂磨合過程，高速持續(xù)運行較長時間或里程，軸承易產(chǎn)生軸溫過高或溫差過大的現(xiàn)象，甚至超過監(jiān)控限定標(biāo)準(zhǔn)。建議臨修更換輪對動車組、高級修及新配屬動車組進行試運行后，在載客運行初期優(yōu)先安排中間停站多、里程短的交路運行。

3.3 研究軸承勻脂設(shè)備

臨修輪對軸承可在輪對跑合試驗臺進行預(yù)跑合，這樣可以提前使軸承完成勻脂磨合，有效避免輪對軸承在運行載客初期因勻脂不均產(chǎn)生溫度過高或溫差超限的故障[5]。