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发展中的轨道交通车辆用轴承----轴承杂志 2013.NO.12 叶军
刘安彬 誊录，学习用
“十二五”期间，中国国家铁路总运营的总里程加工从目前的91.000km增至12. 000km左右。其中，
高铁、城市轨道交通建设呈现出前所未有的发展局面，新一轮的轨道交通建设已经在全国范围内逐渐展开，中国已成为全球最大的城市轨道交通市场。
轴承作为车辆运营安全的关键零部件，其性能和可靠性需达到更高的要求。目前，我国的轨道交通车辆用轴承正处于技术升级换代时期，中国轴承的技术水平与国际水平相比仍处在一定的差距，如动车、高铁轴承还处于依靠国外进口。因此，学习先进的轴承技术，加速轨道交通车辆用轴承的势在必行。
在，从轴承的结构设计、保持架、材料、润滑与密封5各方面，对牵引电动机轴承、轴箱轴承、齿轮箱轴承等轨道交通车辆关键轴承的技术发展进行介绍，以供参考。
1 轴承的结构设计
轨道交通车辆用轴承的技术发展应顺应车辆安全运行、高速化、延长检修期、提高运行 舒适性的发展方向。 1.1 牵引电动机轴承 1.1.1 技术特点
牵引电动机是实现轨道交通车辆高速化的关键设备之一。随着电力电子设备和控制技术的发展，牵引电动机逐步从直流电动机转换为异步电动机，直驱式牵引电动机系统也在研发中，以满足电动机小型、轻量、节能、省维护、长寿命的使用要求。牵引电动机的转速一般为2.000、4.000 r/min〔1〕，新型高铁牵引电动机的转速高达6.000 r/min，7.000 r/min以上的高铁牵引电动机已在研发中。
牵引电动机轴承主要承受径向载荷，由于受运行时转向架振动的影响，轴承还需承受一定的动载荷，实现频繁的运转、停止循环作业。与轴箱轴承和齿轮箱轴承相比，牵引电动机轴承的计算寿命要长的多。轴承的一般配置为：齿轮一侧（传动侧）选用圆柱滚子轴承，反齿轮一侧（换向器侧）选用深沟球轴承，润滑方式大多采用脂润滑〔2-4〕。为实现轴承的高速运转，有效抑制牵引电动机各部件的温升，对轴承的热处理工艺、绝缘性能、润滑脂的耐热性和耐久性以及保持架的引导方式进行了改进1.1.2 绝缘轴承
牵引电动机中，由通过轴承的电流产生的电蚀极具危害，有可能使轴承内的润滑脂提前老化，甚至造成轴承破坏。为防止电蚀现象，考虑价格和可靠性，采用绝缘轴承作为解决方案。牵引电动机所采用的绝缘轴承一般有3种：混合陶瓷轴承、陶瓷喷涂轴承、树脂覆膜轴承〔4〕。
〔2-3〕
。
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⑴ 混合陶瓷绝缘轴承，使用陶瓷材料制作滚动体或套圈，因牵涉到陶瓷的制备和加工，技术难度较高，但绝缘性和高速性能优异。陶瓷滚动体或套圈能彻底切断电流通路，较好防止电蚀损害。另外，陶瓷与钢之间的接触在不良润滑状态下不会出现“微焊”现象，及时在润滑完全失效时轴承也不会卡主。但考虑到陶瓷的脆性破坏会造成严重后果，在高速列车中较少采用混合陶秋绝缘轴承。目前，国内的混合陶瓷绝缘轴承还处于研究和试制阶段〔2-5〕。
⑵ 陶瓷喷涂绝缘轴承，使用等离子体喷涂较少，采用氧化铝为主的陶瓷粉末对外圈外径面进行喷涂并进行绝缘化处理。为了防止高频电流流过产生电蚀，喷涂的膜厚应大于0.3mm〔3,5〕。NTN公司生产的绝缘轴承，外表面采用陶瓷和金属的多层涂层，也可仅使用1层陶瓷层〔4〕。目前，该型绝缘轴承已成功应用于新干线300系、500系、700动车组及我国的“和谐”号等动车及高铁车组〔4〕。
⑶ 树脂覆膜绝缘轴承，通过注成形塑法在外圈外表面喷涂PPS树脂等绝缘物。PPS树脂绝缘轴承的电绝缘性能优异、价格低廉、应用广泛。PPS绝缘轴承虽然可防止电蚀，但由于PPS树脂的导热系数低，相较于非绝缘轴承，轴承内部容易形成高温。应用中为了保持PP绝缘轴承的优异性能，提高热传导性，在原玻璃纤维增强PPS树脂中加入非导电性的高热传导性填充物，使树脂热传导率提高〔3,5〕。 1.2 轴箱轴承
轴箱轴承需要承受整个车辆的车体重量及载重，还需要承受哦运行中车辆摇摆产生的各个方向的力。除了承受静态及动态径向载荷外，还承受非恒定的轴向载荷。随着车辆的高速化，为保证车辆的运行稳定性，要求车轴结构零件尽可能轻量化、小型化，即需要轴箱轴承实现紧凑化设计。而且，车辆的轻型化与节能紧密相关，可有效降低对铁轨的冲击〔3,6〕。
近年来，国内外高速轨道车辆轴箱轴承已从油浴润滑的带挡边的圆柱滚子轴承发展为脂润滑的免维护密封式双列圆锥滚子轴承，既承受径向载荷，又承受轴向载荷，且满足结构紧凑及轻型化的要求。采用脂润滑密封形式可使维修简化，并可通过减少轴承的轴向游隙提高运行稳定性〔3〕。
SKF将FEM有限元解析法运用到轴箱轴承设计中，开发出紧凑型行圆锥滚子轴承组件（CTBU）。轴承设计采用了塑料保持架与低摩擦接触密封，以缩短车轴、减小轴承因其的车轴弯曲〔6〕、同时减轻簧下重量。CTBU组件内还装有检测速度及轴承状态的传感器。由于紧凑设计能延长维修周期，可进一步提高轴承性能与安全性，具有低运转温度、润滑脂长寿命、最佳密封性能等特点，已得到广泛应用，也是轴承的发展方向〔6〕。 1.3 齿轮箱轴承
电动车辆牵引电动机的转矩通过联轴节先传递到齿轮装置上的小齿轮轴，再由小齿轮传递到压装在车轴上的小齿轮轴，再由小齿轮传递到压装在车轴上的大齿轮，最后转化为车轮/钢轨系统的驱动力或制动力。齿轮装置用轴承大多采用一对单列圆锥滚子轴承的组合〔6〕，与齿轮共同使用润滑油。
齿轮箱轴承的作用是作为支承，在承受运行振动的同时，将运转力平稳的传递到车轴，设计时需要考
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虑振动载荷及转速。圆锥滚子轴承的轴向游隙需要在装配过程中精确调整。除了该机小齿轮结构控制轴向游隙我i，也可以使用不需要在装配时调整轴向游隙的轴承，如采用三点或四点接触球轴承与圆柱滚子轴承的组合。
今年来的技术发展有：改进结构控制轴承游隙；降低接触表面的粗糙度；改善润滑结构以防止内圈烧伤；为防止润滑油的搅拌发热导致的内圈蠕变，对内圈进行尺寸稳定化处理〔7〕。
2 保持架
2.1 保持架结构
牵引电动机轴承采用滚动体引导的保持架，与原外圈引导保持架相比，可降低因高速旋转而引起的轴承温升，并减少磨损，改善润滑脂基油向外圈滚道面的流入性〔4〕。
代表轴箱轴承发展方向的CTBU采用塑料保持架，并在保持架的窗孔上留有独特的检查窗孔，以方便检查内圈滚道和大挡边。
齿轮箱中的小齿轮作为输入端，在高速旋转下承受来自联轴器的振动，容易使轴承保持架遭受磨损，甚至疲劳断裂，因此使用软氮化处理表面层的加强型保持架〔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，大多在聚酰胺树脂中填充玻璃纤维，大多在聚酰胺树脂中填充玻璃纤维，以提高机械强度、尺寸稳定性和耐冲击性。国外原材料中的玻璃纤维在高分子合成过程中加入，具有极高的均匀性。而国产材料在改性过程中加入玻璃纤维，均匀性较差，在一定程度上影响保持架的性能及稳定性。
塑料保持架质量大约是钢制保持架的1/6，力学性能优良，稳定性好，自润滑效果佳，摩擦系数低，耐冲击疲劳性能高，提高了轴承在贫油润滑剂高速运转条件下的性能〔8〕。即使轴承处于损伤状态，也不会引起旋转障碍，可连续运转〔6〕。在国外公司的无油试验中，塑料保持架即使处于无油状态、断裂状态，都未出现“抱轴”现象，大大延缓了故障的出现，防止和杜绝了热切轴的发生，避免了恶性事故，提高了车辆运行的安全性。
SKF公司自1990年就在圆锥滚子轴承部件中使用了塑料保持架，并在实际运用中获得了许多经验和数据〔6〕；NTN采用保持架运动状态动态分析和先进的有限元分析设计方法开发出的塑料保持架，寿命达到普通材料的3倍以上〔4〕；FAG公司开发的圆柱滚子轴承，其保持架采用聚酰胺材料，与层状环形结构的密封紧密配合，并使用添加了极压添加剂的特种锂皂润滑脂，其使用寿命达到3.000.000km〔4〕。
中国铁路已将塑料保持架作为标准部件采用。虽然塑料保持架性能优于金属保持架，但根据其材料特性，塑料保持架的使用条件有限制，使用时需充分注意。
3 轴承材料
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3.1 铁路轴承用钢
轴承钢是决定轴承寿命和可靠性的关键因素之一，轨道交通车辆用关键部位轴承工况严酷且变化多端，对轴承的性能，除要求接触疲劳寿命长、耐磨性高以外，还要求具有强大的冲击韧性和尺寸稳定性〔9〕。
提高轴承钢寿命的首要途径是提高钢的纯净度，因为即使钢中存在少量的氧化物、硫化物或氮化物夹杂，也会大大降低其使用寿命，因此，高级轴承多采用电渣重熔法。另外，日本根据航空发动机用轴承的冶炼工艺进行高铁用轴承钢的冶炼，其纯净度超过SAE4320钢（与我国的G20Gci20MoA钢相当）采用真空精炼式生产（电炉→炉外精炼→RH真空脱气→连铸）方法，已在285km/h的新干线700系列高速列车轴承上得到使用〔9〕。
我国在轴承金属材料的热处理、加工方法、表面改良等方面的研究还处在探索、试验阶段〔9〕。在研制高铁轴承钢的成分及其加工工艺所作的改进〔4〕。目前，已探究采用真空精炼渗碳轴承钢代替电渣重熔轴承和提高轴承钢材料纯净度的工作〔10〕。
针对轨道交通轴承用钢的研究方向主要集中在一下几个方面：
⑴ 热处理工艺的研究，为保证贝氏体处理后的接触疲劳寿命、确保高的断裂韧性和高的冲击韧性，就必须对热处理工艺进行选择及试验研究高〔9-10〕；
⑵ 钢种的选择，发展方向是采用GCr18Mo进行贝氏体等位热处理，还可考虑采用G20Gci20MoA钢。 ⑶ 冶炼工艺的研究，钢种氧含量是影响轴承使用寿命的关键因素，要求氧化物分布均匀、碳化物颗粒细小、低倍组织微密，必须研究既能获得低氧含量，又能确保其他质量的冶炼工艺〔9-10〕。 3.2 陶瓷材料的应用
更高的要求，如高温、高速、高精度等，仅依靠改进传统的金属轴承结构或改善润滑条件已远远不能达到要求，开发新型材料已是大势所趋。研究发现，某些陶瓷材料具有特别优良的性能，可以在金属材料和高分子材料难以担当的可可工作环境中使用。
在具备轴承材料所必须的重要特性的同时，陶瓷材料的质量仅为钢材质量的40%，该特点有助实现轴承的轻量化和高速化。在高温条件下扔能保证高强度和高硬度，使陶瓷轴承具有良好的耐磨性。将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术研究与应用的热点〔4〕。
4 润滑与密封
4.1 润滑
与润滑油相比，润滑脂处理简单、使用方便、无需储油装置等优点。因此，高速列车轴承以润滑脂为主高〔1〕，但当轴承与车轮等其他零件一起润滑时，如铁路车辆驱动装置中的轴承和齿轮，选用油润滑。
选择合适的油脂非常重要。轴承润滑状况的正确判定对指定列车维修周期具有指导意义。分解检测周期由轴承使用寿命确定，润滑剂在轴承零件中使用寿命最低，延长润滑剂的使用寿命可延长维修间隔，降低成本。因此，对轴承润滑脂状态的评价是指定车辆维修周期的重要依据。
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