舍弗勒大中華區(qū)

黃星，徐鏡峰，張建昌，周國

【摘　要】本文介紹了國內(nèi)高速動車組軸箱軸承特點及其運用挑戰(zhàn)，總結(jié)了中國高速動車組列車在維修周期間隔延長，運營速度提升至400km/h或更高及更高的運營安全和可靠性方面的需求?；谶@些市場需求，以舍弗勒集團技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新方向，提出了軸箱軸承的4個優(yōu)化方向，希望能對軸承行業(yè)的同行起到一定的參考和借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】時速400公里；免維護；市場需求；研發(fā)方向

0　前言

中國高鐵經(jīng)歷了全面引進并消化吸收加拿大龐巴迪、日本川崎重工、法國阿爾斯通、德國西門子的高鐵技術(shù)的過程，并在此基礎(chǔ)上進行自主創(chuàng)新和自主研發(fā)，成功開發(fā)出了領(lǐng)先世界的高鐵動車組技術(shù)平臺。

2017年6月我國自主研發(fā)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、運營時速達350km的中國標準動車組“復興號”誕生。僅僅時隔一年半，覆蓋時速160km的CR200、時速250km的CR300和時速350km的CR400全營運速度等級的“復興號”家族全面上線，在整體技術(shù)指標上，“復興號”動車組保持著世界先進水平，未來將逐漸接替以前的各種動車組。自2005年中國高鐵動車組研制生產(chǎn)起至今，復興號的誕生是中國高鐵創(chuàng)新發(fā)展之路的一個縮影。伴隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對高速動車組的性能要求也越來越高，時速400km及更高的高鐵車輛研發(fā)勢在必行。軸箱軸承作為列車走行部件中Z重要、Z關(guān)鍵的核心部件，直接關(guān)系到車輛的運行安全，對其研究具有重大的意義[1-2]。

軸箱軸承是高速動車組的重要組成部件之一，實現(xiàn)輪對高速旋轉(zhuǎn)運行的同時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(chǎn)生的各個方向的力。除了承受靜態(tài)及動態(tài)徑向載荷外，還承受非恒定的軸向載荷。如CRH380A型車，單個軸箱軸承徑向載荷約90kN，軸向載荷約20kN。軸箱軸承的可靠性對列車安全運行起著至關(guān)重要的作用。目前世界上應(yīng)用于高速動車組領(lǐng)域的軸箱軸承主要有圓錐滾子軸承（如圖1所示）和圓柱滾子軸承（如圖2所示）。圓柱滾子軸承曾在德國 ICE、日本新干線等速度 300 km/h以下的動車組上應(yīng)用，而我國 CRH 系列高速動車組軸箱軸承前期均采用圓錐滾子軸承，從 2009 年起通過 4年的圓柱滾子軸承研制開發(fā)、試驗驗證，于 2013 年開始實現(xiàn)在我國 CRH 系列高速動車組上批量應(yīng)用[3]。表1為兩種軸箱軸承的特點，圓柱滾子軸承單元除軸向承載能力一般外，在徑向承載能力、極限轉(zhuǎn)速、保持潤滑能力和摩擦與溫升方面均優(yōu)于圓錐滾子軸承單元。

*1在相同軸承尺寸下，圓柱滾子軸承額定靜載荷比圓錐滾子軸承高10%以上。

*2圓錐滾子軸承是靠其具有一定壓力角的滾子承受軸向力，套圈的擋邊僅承受約20% 的軸向力，而圓柱滾子軸承則依靠套圈的擋邊承受全部的軸向力。

*3圓柱滾子軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的一致性，其內(nèi)部摩擦小于圓錐滾子軸承，因此圓柱滾子軸承能夠達到更高的轉(zhuǎn)速，其溫升也更小。

*4圓柱滾子軸承由于其對稱結(jié)構(gòu)關(guān)系而不會產(chǎn)生“泵吸效應(yīng)”，高速運轉(zhuǎn)過程中潤滑脂不會從軸承中部被推向兩側(cè)密封處，因此具有較好的潤滑脂保持能力。

1　中國高速動車組軸箱軸承的特點

目前，中國高鐵動車組軸箱軸承全部為進口，主要由瑞典的斯凱孚（SKF）、德國的舍弗勒（FAG）、日本的恩斯克（NSK）和恩梯恩（NTN）供應(yīng)。這些公司都對高速鐵路用軸承進行了非常系統(tǒng)的研究。表2為動車組軸箱軸承在階段技術(shù)引進，第二階段部分自主創(chuàng)新，第三階段完全自主創(chuàng)新、自主設(shè)計研發(fā)制造的具體配置情況。

在軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，SKF公司將有限元解析方法FEM運用到軸箱軸承設(shè)計中，開發(fā)出緊湊型圓錐滾子軸承組件TBU，組件內(nèi)還裝有監(jiān)測速度及軸承狀態(tài)的傳感器[5]；類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計還包括FAG公司的TAROL軸承[6]及NSK的UNIT軸承。在保持架方面，F(xiàn)AG公司開發(fā)的圓柱滾子軸承CRBU，其保持架選用聚酰胺材料，與層狀環(huán)形結(jié)構(gòu)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3000000km[7]；NTN公司采用保持架運動動態(tài)分析和先進的有限元分析設(shè)計方法開發(fā)出的塑料保持架，壽命達到普通材料的3倍以上[7]。在材料方面，目前國外對夾雜物均勻化技術(shù)（IQ鋼）、超高純軸承鋼（EP鋼）的真空脫氣冶煉技術(shù)、超長壽命鋼技術(shù)（TF鋼）進行系統(tǒng)深入的研究，提高了軸承鋼的使用壽命[8]。在潤滑與密封方面，SKF公司開發(fā)的緊湊型圓錐滾子軸承帶有內(nèi)置式輕接觸密封，其以低摩擦橡膠密封的機理為基礎(chǔ)，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(xiàn)了潤滑脂的長壽命化與節(jié)能。軸承設(shè)計中取消了密封座和襯墊，密封件內(nèi)置于軸承內(nèi)、外圈中間，節(jié)省了空間，抑制了車軸彎曲。在內(nèi)圈與后蓋的配合面上設(shè)計有聚合物襯墊，避免了金屬與金屬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[5]。在制造方面，國外軸承企業(yè)已經(jīng)解決了高鐵軸承的熱處理和制造難題，軸承普遍達到P4級精度，一些關(guān)鍵位置精度達到P2級[8]。

保證動車組的高速運行穩(wěn)定性，需要軸箱軸承緊湊化設(shè)計。多數(shù)車型都采用脂潤滑免維護的密封式雙列圓錐滾子軸承[9]，如FAG的TAROL軸承，NSK的UNIT軸承，既承受徑向載荷，也承受軸向載荷，且滿足結(jié)構(gòu)緊湊及輕型化要求。密封形式分為接觸式密封、輕接觸式密封和非接觸式密封。因軸箱軸承自帶密封裝置，故出廠時已封裝鐵路特殊潤滑脂，保證了免維護要求。軸承內(nèi)置有中隔圈，可實現(xiàn)軸承預(yù)調(diào)，簡化了安裝游隙和預(yù)緊的調(diào)整，大大方便安裝使用。

2　中國高速動車組軸箱軸承運用挑戰(zhàn)

中國高速鐵路與國外相比，具有長交路、更高營業(yè)速度、橋梁隧道多的新特點[6]，這些客觀因素使得動車組在運用過程中遇到了一些新問題，主要表現(xiàn)為部分軸承內(nèi)外圈滾道及滾子剝落、保持架故障、密封故障、油脂狀態(tài)異常、軸承高溫等，截至2019年底，根據(jù)各鐵路局反饋的故障數(shù)據(jù)，總運用軸承總數(shù)約22萬套，故障軸承約550套，故障率約0.25%。

溫升是監(jiān)測軸箱軸承故障的重要指標，分析包括列車運行速度、軸箱軸承承受的載荷等服役條件對軸箱軸承溫升的影響度，據(jù)此改善軸箱軸承服役條件，降低軸箱軸承故障發(fā)生率，是保障列車安全運營迫切需要解決的問題，同時，對高速動車組修程修制具有重要的指導意義。載荷和速度都會直接影響高速動車組軸溫，載荷的增大和速度的提高都會引起高速動車組軸溫的升高。相比載荷變化，速度變化引起的溫升變化更劇烈[10]，速度對軸承溫度的影響更加明顯。表3為軸箱軸承的主要損傷故障分析。

由表3可知，分析軸箱軸承的損傷故障原因，需從使用、軸承周邊、潤滑、載荷、轉(zhuǎn)速、軸承本體等方面著手，綜合考慮各種因素，找到主要原因，采取針對性對策。

當前中國高速動車組列車有如下三方面需求：

1）自2019年始，動車組高級修里程周期間隔上限逐步延長，高速復興號和時速300公里和諧號動車組，高級修里程間隔上限將從132萬公里分階段逐步延長到165萬公里和145萬公里。相應(yīng)的軸箱軸承的維修周期間隔Z長也將延長到165萬公里，因高級修時會更換潤滑脂，因此延長維修周期間隔將對潤滑脂的可靠性和長壽命提出嚴苛的要求。

2）當前國內(nèi)高速動車組Z高運營速度為350km/h，后續(xù)可能提速至400km/h或更高。速度的提高還會導致車軸溫升高、轉(zhuǎn)向架振動、車輪不圓、軸箱磨損的加劇，惡化軸箱軸承的受力及潤滑，降低其使用壽命。

3）隨著中國高速動車組的進一步發(fā)展，未來動車組的運營安全和可靠性將更高，全壽命周期成本將更低，基于在線故障診斷模型、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、故障預(yù)測，提前實施預(yù)見性的維修是趨勢。

3　高速動車組軸箱軸承研發(fā)方向

軸箱軸承的研發(fā)涉及設(shè)計、制造、材料、潤滑、檢測與試驗、狀態(tài)檢測等一系列技術(shù)難題。結(jié)合上表2高速動車組軸承配置情況可知，舍弗勒集團是中國高速動車組軸承市場的重要參與者與貢獻者，接下來以舍弗勒品牌軸承為例，管中窺豹了解中國高速動車組軸承的技術(shù)發(fā)展方向。為適應(yīng)前文所述的三方面訴求，舍弗勒正在研發(fā)能夠適應(yīng)更高運用速度、更高載荷和沖擊以及更小摩擦的軸箱軸承。正在從軸承本體和系統(tǒng)上進行以下幾個方面進行改進：

軸承本體方面：運用代表高水平設(shè)計&制造能力的X-life技術(shù)。

進一步提高功能面如套圈及滾動體表面的加工精度；

進一步優(yōu)化滾動體與套圈滾道面、擋邊面的接觸型面；

舍弗勒獨創(chuàng)的X-life技術(shù)，其核心是使用舍弗勒集團Z先進的生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化滾動體與套圈滾道面、擋邊面之間的整個接觸面（如圖3所示），可顯著減低了軸承內(nèi)部的接觸應(yīng)力狀態(tài)。同時微觀表面質(zhì)量的提高減少了軸承內(nèi)部摩擦（包括潤滑劑間的運轉(zhuǎn)阻力和張力）。通過舍弗勒專有軟件BearinX分析顯示，優(yōu)化后設(shè)計大幅降低了滾動體和擋邊之間的摩擦，承受軸向載荷的滾動體磨損顯著減少，可顯著降低軸承的運轉(zhuǎn)溫度。圖4為滾動體端面和擋邊接觸優(yōu)化前后摩擦功率和摩擦力矩的對比。

同時X-life對鐵路客戶意味著在更緊湊的設(shè)計空間需求下，將獲得更高的承載能力。因此對“可靠性”?求極度苛刻的高速?路客戶，X-life產(chǎn)品將是Z佳選擇。圖5為標準產(chǎn)品和“X-life”產(chǎn)品的壽命對比實驗。

采用更高等級材料

軸承鋼的質(zhì)量等級直接影響軸承的性能、壽命和可靠性。分析軸承主要的失效形式-剝落，主要包括兩種類型，一種是表面起源型疲勞剝落，即由污染顆粒、表面壓痕或潤滑不良引起并擴展的剝落形式，一種是次表面起源型疲勞剝落，根據(jù)赫茲理論，在滾動接觸載荷作用下，于表面下接觸應(yīng)力Z大處（次表面）開始出現(xiàn)微裂紋。隨著滾動接觸載荷的不斷作用，微裂紋通常會向滾動接觸表面擴展，進而產(chǎn)生小片狀剝落，并繼而引發(fā)材料剝離。即由次表層裂紋或夾雜在外部載荷作用下引起并擴展至滾道表面的疲勞剝落形式。

結(jié)合剝落失效機理，如果作用在軸承上的外部載荷變大，軸承會提前出現(xiàn)疲勞失效，降低L10壽命。在外部載荷條件無法改變的情況下，采用更高等級材料（軸承鋼純凈度更高）可以抵消振動和沖擊的影響，降低次表面缺陷擴展速度，減少軸承發(fā)生剝落的概率，有效抑制軸承早期失效。

開發(fā)適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速、更長免維護周期的潤滑脂；

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，潤滑脂在軸承零件中使用壽命Z低。軸承分解檢測周期由132萬公里提高至165萬公里，即要求潤滑脂更換周期由132萬公里提高至165萬公里，相當于壽命需要提高25%。當前高速動車組用潤滑脂已是特殊的鐵路潤滑脂，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。在此基礎(chǔ)上，工作溫度水平會大大影響潤滑脂壽命，更低的工作溫度將大大延緩潤滑脂的老化失效。開發(fā)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、溫升低的潤滑脂將有效支撐延長軸承免維護周期。

除此之外，在線潤滑脂更換系統(tǒng)也能夠解決維修周期延長對潤滑脂的要求。

系統(tǒng)方向：

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成了溫度、速度、加速度等多個傳感器單元，智能軟件和云連接系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、打包、傳輸、分析、存儲、通訊和警報判斷和發(fā)布。操作員或技術(shù)維護人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控各個軸箱軸承，并與客戶現(xiàn)有系統(tǒng)互通交換數(shù)據(jù)，通過綜合智能分析實時掌握軸承工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)軸承早期失效，實現(xiàn)更高的平均速度，更大的行駛里程和更長的維護間隔，同時還可以提高運行可靠性。開放平臺概念設(shè)計可以擴展監(jiān)控項點，從而可以監(jiān)控更多組件甚至整個轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

隨著中國高鐵的快速發(fā)展，軸箱軸承作為高速動車組的核心關(guān)鍵部件，需要不斷優(yōu)化提升，本文通過總結(jié)軸箱軸承的運用挑戰(zhàn)和當前中國高速動車組的市場需求，提出了軸箱軸承的4個優(yōu)化方向以供借鑒。

【參考文獻】

[1] 梁云, 夏春晶. 高速客車轉(zhuǎn)向架軸箱軸承選型設(shè)計[J]. 鐵道機車與動車, 2015(7): 1-4.

[2] 鮑廷義, 成軍強. 高速列車軸箱軸承選型分析計算[J]. 機電信息, 2020(21): 97-98.

[3] 李國棟, 趙文學, 韓慶利. 高速動車組圓柱滾子軸承的應(yīng)用研究[J]. 機車電傳動, 2018(1): 54-56.

[4] 張云龍, 姜 斌, 許紅江. 250km/h標準動車組軸箱軸承選型方案分析[J]. 機車電傳動, 2019(6): 38-40.

[5] 清水昭, 劉陽春. SKF公司開發(fā)的高速車輛用軸承[J]. 國外鐵道車輛, 2006, 43(2): 24-26.

[6] 孟政, 王幼斌, 趙艷英, 劉志恒. 高速動車組FAG軸箱軸承的運用總結(jié)及設(shè)計優(yōu)化. 2016鐵路車輛輪軸技術(shù)交流會.

[7] 施洪生, 張奕黃, 高培慶. 高速牽引電動機軸承關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 機車電傳動, 2007(2): 1-5.

[8] 謝興會, 王金成, 潘隆. 高鐵軸承關(guān)