舍弗勒大中華區(qū)

黃星，徐鏡峰，張建昌，周國(guó)

【摘　要】本文介紹了國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組軸箱軸承特點(diǎn)及其運(yùn)用挑戰(zhàn)，總結(jié)了中國(guó)高速動(dòng)車組列車在維修周期間隔延長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)速度提升至400km/h或更高及更高的運(yùn)營(yíng)安全和可靠性方面的需求。基于這些市場(chǎng)需求，以舍弗勒集團(tuán)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新方向，提出了軸箱軸承的4個(gè)優(yōu)化方向，希望能對(duì)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(shí)速400公里；免維護(hù)；市場(chǎng)需求；研發(fā)方向

0　前言

中國(guó)高鐵經(jīng)歷了全面引進(jìn)并消化吸收加拿大龐巴迪、日本川崎重工、法國(guó)阿爾斯通、德國(guó)西門(mén)子的高鐵技術(shù)的過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主創(chuàng)新和自主研發(fā)，成功開(kāi)發(fā)出了領(lǐng)先世界的高鐵動(dòng)車組技術(shù)平臺(tái)。

2017年6月我國(guó)自主研發(fā)、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)350km的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組“復(fù)興號(hào)”誕生。僅僅時(shí)隔一年半，覆蓋時(shí)速160km的CR200、時(shí)速250km的CR300和時(shí)速350km的CR400全營(yíng)運(yùn)速度等級(jí)的“復(fù)興號(hào)”家族全面上線，在整體技術(shù)指標(biāo)上，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組保持著世界先進(jìn)水平，未來(lái)將逐漸接替以前的各種動(dòng)車組。自2005年中國(guó)高鐵動(dòng)車組研制生產(chǎn)起至今，復(fù)興號(hào)的誕生是中國(guó)高鐵創(chuàng)新發(fā)展之路的一個(gè)縮影。伴隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)高速動(dòng)車組的性能要求也越來(lái)越高，時(shí)速400km及更高的高鐵車輛研發(fā)勢(shì)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(yùn)行安全，對(duì)其研究具有重大的意義[1-2]。

軸箱軸承是高速動(dòng)車組的重要組成部件之一，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的同時(shí)需承受整個(gè)車輛的車體重量及載重，還需承受運(yùn)行中車輛搖擺產(chǎn)生的各個(gè)方向的力。除了承受靜態(tài)及動(dòng)態(tài)徑向載荷外，還承受非恒定的軸向載荷。如CRH380A型車，單個(gè)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(duì)列車安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。目前世界上應(yīng)用于高速動(dòng)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(guó) ICE、日本新干線等速度 300 km/h以下的動(dòng)車組上應(yīng)用，而我國(guó) CRH 系列高速動(dòng)車組軸箱軸承前期均采用圓錐滾子軸承，從 2009 年起通過(guò) 4年的圓柱滾子軸承研制開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證，于 2013 年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)在我國(guó) CRH 系列高速動(dòng)車組上批量應(yīng)用[3]。表1為兩種軸箱軸承的特點(diǎn)，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(rùn)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(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，其溫升也更小。

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

1　中國(guó)高速動(dòng)車組軸箱軸承的特點(diǎn)

目前，中國(guó)高鐵動(dòng)車組軸箱軸承全部為進(jìn)口，主要由瑞典的斯凱孚（SKF）、德國(guó)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(duì)高速鐵路用軸承進(jìn)行了非常系統(tǒng)的研究。表2為動(dòng)車組軸箱軸承在階段技術(shù)引進(jìn)，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(jì)研發(fā)制造的具體配置情況。

在軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，SKF公司將有限元解析方法FEM運(yùn)用到軸箱軸承設(shè)計(jì)中，開(kāi)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(cè)速度及軸承狀態(tài)的傳感器[5]；類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)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(rùn)滑脂，使其使用壽命可達(dá)到3000000km[7]；NTN公司采用保持架運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)分析和先進(jìn)的有限元分析設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)出的塑料保持架，壽命達(dá)到普通材料的3倍以上[7]。在材料方面，目前國(guó)外對(duì)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(zhǎng)壽命鋼技術(shù)（TF鋼）進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，提高了軸承鋼的使用壽命[8]。在潤(rùn)滑與密封方面，SKF公司開(kāi)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(jī)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(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑脂的長(zhǎng)壽命化與節(jié)能。軸承設(shè)計(jì)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(jì)有聚合物襯墊，避免了金屬與金屬之間的摩擦腐蝕導(dǎo)致的軸向間隙增大，從而阻止異物進(jìn)入軸承[5]。在制造方面，國(guó)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(dá)到P4級(jí)精度，一些關(guān)鍵位置精度達(dá)到P2級(jí)[8]。

保證動(dòng)車組的高速運(yùn)行穩(wěn)定性，需要軸箱軸承緊湊化設(shè)計(jì)。多數(shù)車型都采用脂潤(rùn)滑免維護(hù)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(shí)已封裝鐵路特殊潤(rùn)滑脂，保證了免維護(hù)要求。軸承內(nèi)置有中隔圈，可實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)調(diào)，簡(jiǎn)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(guó)高速動(dòng)車組軸箱軸承運(yùn)用挑戰(zhàn)

中國(guó)高速鐵路與國(guó)外相比，具有長(zhǎng)交路、更高營(yíng)業(yè)速度、橋梁隧道多的新特點(diǎn)[6]，這些客觀因素使得動(dòng)車組在運(yùn)用過(guò)程中遇到了一些新問(wèn)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(yùn)用軸承總數(shù)約22萬(wàn)套，故障軸承約550套，故障率約0.25%。

溫升是監(jiān)測(cè)軸箱軸承故障的重要指標(biāo)，分析包括列車運(yùn)行速度、軸箱軸承承受的載荷等服役條件對(duì)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(yùn)營(yíng)迫切需要解決的問(wèn)題，同時(shí)，對(duì)高速動(dòng)車組修程修制具有重要的指導(dǎo)意義。載荷和速度都會(huì)直接影響高速動(dòng)車組軸溫，載荷的增大和速度的提高都會(huì)引起高速動(dòng)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(duì)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(rùn)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(duì)性對(duì)策。

當(dāng)前中國(guó)高速動(dòng)車組列車有如下三方面需求：

1）自2019年始，動(dòng)車組高級(jí)修里程周期間隔上限逐步延長(zhǎng)，高速?gòu)?fù)興號(hào)和時(shí)速300公里和諧號(hào)動(dòng)車組，高級(jí)修里程間隔上限將從132萬(wàn)公里分階段逐步延長(zhǎng)到165萬(wàn)公里和145萬(wàn)公里。相應(yīng)的軸箱軸承的維修周期間隔Z長(zhǎng)也將延長(zhǎng)到165萬(wàn)公里，因高級(jí)修時(shí)會(huì)更換潤(rùn)滑脂，因此延長(zhǎng)維修周期間隔將對(duì)潤(rùn)滑脂的可靠性和長(zhǎng)壽命提出嚴(yán)苛的要求。

2）當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組Z高運(yùn)營(yíng)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(huì)導(dǎo)致車軸溫升高、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)、車輪不圓、軸箱磨損的加劇，惡化軸箱軸承的受力及潤(rùn)滑，降低其使用壽命。

3）隨著中國(guó)高速動(dòng)車組的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)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(cè)，提前實(shí)施預(yù)見(jiàn)性的維修是趨勢(shì)。

3　高速動(dòng)車組軸箱軸承研發(fā)方向

軸箱軸承的研發(fā)涉及設(shè)計(jì)、制造、材料、潤(rùn)滑、檢測(cè)與試驗(yàn)、狀態(tài)檢測(cè)等一系列技術(shù)難題。結(jié)合上表2高速動(dòng)車組軸承配置情況可知，舍弗勒集團(tuán)是中國(guó)高速動(dòng)車組軸承市場(chǎng)的重要參與者與貢獻(xiàn)者，接下來(lái)以舍弗勒品牌軸承為例，管中窺豹了解中國(guó)高速動(dòng)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(yùn)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(jìn)行以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

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

進(jìn)一步提高功能面如套圈及滾動(dòng)體表面的加工精度；

進(jìn)一步優(yōu)化滾動(dòng)體與套圈滾道面、擋邊面的接觸型面；

舍弗勒獨(dú)創(chuàng)的X-life技術(shù)，其核心是使用舍弗勒集團(tuán)Z先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，優(yōu)化滾動(dòng)體與套圈滾道面、擋邊面之間的整個(gè)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(shí)微觀表面質(zhì)量的提高減少了軸承內(nèi)部摩擦（包括潤(rùn)滑劑間的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力和張力）。通過(guò)舍弗勒專有軟件BearinX分析顯示，優(yōu)化后設(shè)計(jì)大幅降低了滾動(dòng)體和擋邊之間的摩擦，承受軸向載荷的滾動(dòng)體磨損顯著減少，可顯著降低軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。圖4為滾動(dòng)體端面和擋邊接觸優(yōu)化前后摩擦功率和摩擦力矩的對(duì)比。

同時(shí)X-life對(duì)鐵路客戶意味著在更緊湊的設(shè)計(jì)空間需求下，將獲得更高的承載能力。因此對(duì)“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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和“X-life”產(chǎn)品的壽命對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

采用更高等級(jí)材料

軸承鋼的質(zhì)量等級(jí)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(rùn)滑不良引起并擴(kuò)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(dòng)接觸載荷作用下，于表面下接觸應(yīng)力Z大處（次表面）開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋。隨著滾動(dòng)接觸載荷的不斷作用，微裂紋通常會(huì)向滾動(dòng)接觸表面擴(kuò)展，進(jìn)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(kuò)展至滾道表面的疲勞剝落形式。

結(jié)合剝落失效機(jī)理，如果作用在軸承上的外部載荷變大，軸承會(huì)提前出現(xiàn)疲勞失效，降低L10壽命。在外部載荷條件無(wú)法改變的情況下，采用更高等級(jí)材料（軸承鋼純凈度更高）可以抵消振動(dòng)和沖擊的影響，降低次表面缺陷擴(kuò)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(kāi)發(fā)適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速、更長(zhǎng)免維護(hù)周期的潤(rùn)滑脂；

軸承潤(rùn)滑狀況的正確判定對(duì)制定列車維修周期具有指導(dǎo)意義。分解檢測(cè)周期由軸承使用壽命確定，潤(rùn)滑脂在軸承零件中使用壽命Z低。軸承分解檢測(cè)周期由132萬(wàn)公里提高至165萬(wàn)公里，即要求潤(rùn)滑脂更換周期由132萬(wàn)公里提高至165萬(wàn)公里，相當(dāng)于壽命需要提高25%。當(dāng)前高速動(dòng)車組用潤(rùn)滑脂已是特殊的鐵路潤(rùn)滑脂，具有良好的機(jī)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(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，工作溫度水平會(huì)大大影響潤(rùn)滑脂壽命，更低的工作溫度將大大延緩潤(rùn)滑脂的老化失效。開(kāi)發(fā)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、溫升低的潤(rùn)滑脂將有效支撐延長(zhǎng)軸承免維護(hù)周期。

除此之外，在線潤(rùn)滑脂更換系統(tǒng)也能夠解決維修周期延長(zhǎng)對(duì)潤(rùn)滑脂的要求。

系統(tǒng)方向：

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了溫度、速度、加速度等多個(gè)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(chǔ)、通訊和警報(bào)判斷和發(fā)布。操作員或技術(shù)維護(hù)人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控各個(gè)軸箱軸承，并與客戶現(xiàn)有系統(tǒng)互通交換數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合智能分析實(shí)時(shí)掌握軸承工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承早期失效，實(shí)現(xiàn)更高的平均速度，更大的行駛里程和更長(zhǎng)的維護(hù)間隔，同時(shí)還可以提高運(yùn)行可靠性。開(kāi)放平臺(tái)概念設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展監(jiān)控項(xiàng)點(diǎn)，從而可以監(jiān)控更多組件甚至整個(gè)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)高鐵的快速發(fā)展，軸箱軸承作為高速動(dòng)車組的核心關(guān)鍵部件，需要不斷優(yōu)化提升，本文通過(guò)總結(jié)軸箱軸承的運(yùn)用挑戰(zhàn)和當(dāng)前中國(guó)高速動(dòng)車組的市場(chǎng)需求，提出了軸箱軸承的4個(gè)優(yōu)化方向以供借鑒。

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