高速動車組轉向架軸承常見故障及選型設計分析

師玲萍

關鍵詞：高速動車組 滾動軸承 常見故障

1 引言

目前，我國復興號動車組列車發展日趨成熟，300KM/H 時速以及以上動車組列車數量增多。速度提高后，軸承轉速增加，因此成熟的高速動車組轉向架技術是動車組列車提速的關鍵。軸承是轉向架組成的重要零部件，所選用軸承性能的好壞，導致轉向架常見故障（熱軸、燃軸）的發生，都跟軸承有及其重要的聯系。如果不能及時對動車組軸承進行實時的監控及故障診斷，將會危及動車組列車的安全運行。另外，動車組列車行駛速度較快，（大約200-300KM/h），車輪和鋼軌的運行條件苛刻，各零部件的振動加強。動車組轉向架的每個零部件，都有者嚴格的標準和性能要求。我國鐵路早期使用的是滑動軸承，后選用滾動軸承。軸承位于輪對和構架之間，它的的作用是承受各種徑向力、垂向力，并且傳遞給車體。客車多選用圓柱軸承，貨車多選用圓錐軸承，因為貨車承載受力更大。跟轉向架的其他零部件相比，軸承的工作狀態比較特殊，即持續工作。（只要列車運行，就在工作狀態）。由于自身要求良好的密封性，軸承會設有軸箱，用來保護軸承免于異物侵入。在運行途中，需要隨時監測軸承的溫度，監測軸承各零部件的狀態，以免在行駛途中，發生燃軸、切軸的故障。因為軸承一旦發生問題，將會直接影響轉向架和車輛的安全性和穩定性。因此，改善軸承的工作性能，對軸承的故障進行系統分析研究，將會大大減少維修成本，提高動車組列車的運行安全性。本文將詳細討論高速動車組轉向架軸承的常見故障，對其進行原因分析，并對動車組軸承的選用提出建議。

2 軸承設計

接觸應力的分布類似于輥的內環和接觸表面的徑向位移。在均勻載荷作用下，接觸應力集中在惰輪兩端，應力在惰輪中部分布均勻，末端附近的應力增加。這被稱為線性總線的“邊緣效應”。因為負載分布比較均勻，兩端分布的應力較為對稱。軸承的內圈和滾道接觸面之間的徑向位移的分布和應力分布較相似。值得注意的是，載荷只對應力和位移有影響，對于分布規律并沒有顯著的關聯。在梯型載荷的受力下，接觸應力比較集中，在惰輪的兩端。如果跟受到均勻載荷的狀況相對比，滾動體一側的應力和位移增加較大，同時，另一側的應力和位移則較之減少。這便是“偏心加載效應”。結論就是載荷會影響應力和位移，但不影響分布規則。我們為了提高軸承性能，是壽命增加，就要避免這種“邊緣效應”，同時，滾動狀態下的零部件容易收到電弧和對數產生的影響，所以，對于軸承的性能改善都是在均勻載荷下和對稱總線下的優化。我們從分析中可以得出，當軸承載荷不均勻分布，會發生偏心載荷，應力分布不對稱。隨著載荷沿輥軸傾斜，兩側的應力變化較大。因此，由于受到偏心載荷效應的影響，對稱校正不適用于偏心載荷。通過沿著軸承軸均勻分布應力，可以有效避免上述兩種效應，從而根據偏心載荷使軸承壽命增加。并且，線性滾動體下方的偏心載荷一定要以不對稱的形式滾動，且元件是規律性分布。

3 常見故障

軸承的常見故障很多，有十余種。軸承的特有故障叫電蝕。軸承一旦發生電蝕，不得裝用。掃描電子顯微鏡和電蝕缺陷的微觀結構分析表明，電蝕缺陷具有熔點形態，電蝕點附近的微觀結構表現出異常結構，即電蝕點有二次淬火結構和高溫回火結構。在該圖中，月亮的白色層是在部分熔融區域中凝固后形成的淬火結構，白色層下面的黑色區域是高溫回火區域。新月剛剛過熱。在淬火結構的影響下，黑色區域的半月形狀是高溫回火結構。電蝕缺陷是由制造和維護期間軸承部件的焊接引起的。形成焊料或點火點。當軋件高速運轉時，焊點或點火點將沿著弱的高溫回火結構撕裂并脫落，最終形成電蝕。這種電腐蝕是在焊接過程中流過軸承的電流引起的典型點蝕缺陷，以及在滾動表面上的局部位置產生的火花和電弧。由于大量的電蝕缺陷，軸承的滾動表面的潤滑狀態受損，這影響軸承的正常操作并導致軸承的早期失效。

4 軸承選型

工作環境是軸承壽命的主要要求。影響軌道的因素很多，包括軌道的連續焊接，緊固件的混凝土材料，小體積混凝土的狀態和軌道床。不良的轉向架條件也會極大地影響軸承壽命。彈簧的損壞會對滾子接觸表面或另一個軸承造成更大的負荷，轉向架的金剛石變形也會產生更大的橫向力。因此，良好的轉向架維護非常重要。天氣條件也會影響軸承壽命。為此，必須使用性能和質量良好的密封件和潤滑劑。根據各局和部門的調查研究，根據軸承的維修能力和成本，客車轉向架是開放式的，圓柱滾子軸承較為適合的。對于高速動車組列車，對軸箱軸承有更高的要求。在運行期間，由于車輪和軌道之間的滾動接觸，軸承承受較大的橫向和靜態載荷。因此，軸承要求具有抗振動，抗沖擊，使用壽命長，體積小，重量輕，確保安全駕駛。由于履帶變換轉向架需要滿足不同的規格，當車輪沿軸線滑動時，軸承也需要滑動，這導致軸承徑向力的相應橫向運動，即軸承會產生一定的偏心載荷。

選擇軸承時，應盡可能降低軸承的工作溫度，增加軸承的使用壽命，減小軸承的尺寸和重量。當車輛以超過250km/h 的速度行駛時，圓錐滾子軸承優于圓柱滾子軸承。由于它們的高速和高負載，圓錐滾子軸承在列車運行期間受到軸向和徑向力，特別是在通過拐角時。由于圓錐滾子軸承受到具有一定壓力角的滾子的軸向力，因此只有約20%的軸向力受到影響，因此，圓錐滾子軸承在軸向承載能力方面具有更多優勢。圓柱滾子軸承承受軸向載荷。軸向載荷完全由圓柱滾子軸承的滾子端面和環肋引起，滾子端與軸承之間的滑動摩擦力上升，而磨損將是圓柱滾子軸承的軸向承載能力低于圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承具有低摩擦力矩和低摩擦溫度。可變行程轉向架的連續運轉速度超過300km/ h，并且優選使用圓錐滾子軸承。

軸承的基本尺寸是指外徑，倒角尺寸和尺寸公差。軸承旋轉精度是指內圈，軸向跳動和內圈端面的徑向跳動。內徑的垂直度和外徑與端面的垂直度。高精度軸承使用壽命長，可以提高速度限制，但制造成本相對較高。高速軸承，如SKF 和FAG 滾動軸承，在尺寸，形狀和精度方面符合ISO 標準。它們通常分為一般等級，P6，P5，P4，SP 和UP 等級。考慮到列車的高速運行條件，普通高速鐵路客車的軸承精度為6 級。換向轉向架軸承的轉速不超過2400r/min，可以使用6 級精度。為了確保高速列車的安全性和軸承的質量，軸承套圈和滾動部件通常要求具有高硬度，強滾動疲勞，耐磨性和尺寸穩定性。和其他功能。特別是，嚴格控制鋼中影響滾動疲勞壽命的非金屬夾雜物的含量。在各種非金屬夾雜物中，硬質氧化物往往是疲勞開裂的起點，因此必須使用含有少量非金屬夾雜物的清潔鋼。軸承制造商通常使用清潔鋼來減少在爐外真空脫氣和精煉后有害氧化物和夾雜物的消耗。對于要求高可靠性的軸承，請使用更清潔的真空吸塵器鋼（VIM， VAR）或電渣鋼（ESR）。

5結語

對于軸承保持架材料，它們必須具有承受旋轉和徑向沖擊載荷的強度，并且與滾動元件和滾動表面具有很小的摩擦和質量，并且可以適應軸承的工作溫度。由于聚合物材料支架具有良好的質量和耐腐蝕性，因此它還具有良好的抗老化性和自潤滑性。因此，可變直徑轉向架軸承由聚合物保持器制成。