高速鐵路軸承疲勞壽命淺析

王多亮，任子晶，趙 燕

（1.中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱150036；2.哈爾濱軸承集團公司 鐵路軸承制造分廠，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

高速鐵路作為現代社會的一種新的運輸方式，在安全、快捷、經濟、環保等方面都具有極為明顯的優勢。進入新世紀以來，為配合中國經濟的快速發展，中國鐵路決定把發展客運高速作為實現現代化的一個主要方向。依靠自主創新，中國高速鐵路從無到有，經過10多年的高速鐵路建設和對既有鐵路的高速化改造，我國高速鐵路運營總里程將突破1.3×104km，同時我國的軌道交通技術裝備逐步提高并實現了國產化，但作為基礎精密配件的軸承，我國目前主要依靠進口。高速鐵路客車軸承（圖1）的高可靠性，長壽命要求，制約著我國高鐵軸承的研發，現從結構、材料、加工工藝方面對如何提高軸承的疲勞壽命做一下理論分析。

2 疲勞壽命

2.1 疲勞壽命基本概念

圖1 高鐵軸承外觀圖

軸承在使用過程中要求具有精度高、載荷大、摩擦力矩小等性能，同時要求在使用期內能保持所需要的性能指標。當由于安裝不正確、潤滑不良、配合不當、塵埃和異物進入等原因造成性能指標低于使用要求不能正常工作，或者軸承中任一滾動體或滾道出現疲勞剝落，在這之前的使用期限就是一般所說的疲勞壽命。

軸承是高速運轉最基本且必須之關鍵性零件，在負荷和溫度及可靠性上，都有嚴格的規定與限制。提高軸承的壽命，防止軸承的疲勞破壞是高鐵軸承設計的基本要求之一。

2.2 疲勞壽命計算

修正額定壽命

p－軸負荷

Pr=P×f1

f1－動載荷系數

Cr－額定動載荷

a1－可靠性系數（n=10）a1＝1

（n=5）a1=0.62

（n=1）a1=0.21

a2－材料與設計系數1.4～1.8

a3－應用與潤滑系數，按一般情況考慮a3=1。

從上述公式可以看出，軸承的疲勞壽命主要受到工況的使用載荷、軸承的設計載荷、軸承的結構、材料因素、潤滑情況等因素影響，對這些方面有個清楚的認識，對于提高鐵路軸承的疲勞壽命有重要意義。

3 軸承疲勞壽命的影響因素

3.1 結構設計

圖2 高速鐵路軸承結構示意圖

因為受載情況的限制，高速鐵路軸承有雙列圓錐滾子軸承（圖2）、四列圓錐滾子和雙列圓柱滾子軸承等幾種結構，無論是哪種結構都要求承受徑向、軸向聯合載荷，在設計中增加滾動體（件04）的數量、增大直徑、長度，提高其承載能力，同時改善潤滑條件，增加孔、槽等設計，解決散熱問題，并加密封裝置（件18、件48）防止水、灰塵等異物的進入。以上結構的設計有助于改善軸承的使用環境，提高軸承的抗沖擊能力，延長軸承的壽命。

3.2 材料的影響

材料的化學成分和冶煉方法對軸承的壽命影響很大。一直以來鐵路軸承一般使用韌性好、抗沖擊能力強的滲碳鋼GCr18Mo作為生產套圈的材料，隨著鐵路軸承高可靠性、長壽命的要求越來越嚴格，對軸承材料性能指標的要求也逐步提高，目前我公司試制的高鐵軸承使用了國內新研發的材料,其化學成分接近歐洲鐵路軸承的先進材料。

鋼鐵的冶煉方式經過了普通冶煉、真空脫氣冶煉、真空重熔冶煉三個階段，試驗表明真空冶煉的軸承材料純凈度高，非金屬夾雜氧化物、硅酸鹽等含量減少，疲勞壽命比大氣冶煉的軸承鋼提高2倍左右。我國軸承鋼材氧含量已經接近國外先進水平，但夾雜物和碳化物按軸承尺寸的大小的分布均勻性、成分均勻性與國外相比還有很大差距，如大尺寸的夾雜物和碳化物較多、基本成分不均勻形成黑白區等，造成軸承質量先天不足，嚴重影響了軸承的疲勞壽命和可靠性。為了滿足高速鐵路軸承長壽命的趨勢，軸承企業應與冶金企業展開合作，促使冶金企業在進一步降低氧含量的基礎上，開展澆注凝固技術、軋制技術、夾雜物控制及檢測技術的研究，以提高夾雜物和碳化物的尺寸及分布均勻性。

3.3 制造工藝的影響

鍛造、車削是我們常用的加工金屬的重要手段，試驗表明在毛坯成型的過程中纖維流線如果與表面平行，有利于延長疲勞壽命，如果在冷軋、車削過程中切斷了流線或者流線分布與表面垂直，容易在纖維露頭的地方發生疲勞破壞，可見在鍛造、車削加工過程中應盡力沿平行纖維流線的方向進行加工，盡量減少對流線的破壞，提高軸承的疲勞壽命。

熱處理作為改善金屬或合金組織結構和性能的重要手段一直備受關注。針對不同的材料制定合理的熱處理工藝，使碳化物的顆粒細化、分布均勻，有利于疲勞壽命的提高。我廠研制的高速鐵路軸承套圈采用了表面滲碳處理，在不降低表面硬度的情況下提高表面殘余奧氏體的含量，改善表面應力狀態，提高軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命和可靠性。

工件的磨削和超精加工去除表面的加工變質層，減小表面粗糙度，使工件表面形成壓應力，壓應力可抑制疲勞裂紋的產生和擴展速度，延長疲勞壽命。磨削加工實際上是多刀同時切削的加工工藝，磨削加工的進給量較小，切削力通常也不大，但磨削速度較高(30-80m/s)，磨削區域的溫度通常都較高，可高達800-1000℃，容易引起工件表面局部燒傷，磨削加工熱應力會使工件變形，甚至使工件表面產生裂紋; 同時因為磨削加工過程中會產生大量的金屬磨屑和砂輪碎末，會影響加工工件的表面粗糙度等，所以在磨削工藝制定中要注意砂輪材料的選擇、進給量、切削力大小的控制等。

3.4 潤滑的影響

通常所說的軸承五大件分別指軸承內圈、外圈、滾動體、保持架、潤滑劑，可見在現代軸承理論中軸承的潤滑及潤滑方式、潤滑劑的選擇對軸承正常運轉起了至關重要的作用。根據不同的工況條件應選擇合適的潤滑方式，高速鐵路軸承由于使用環境的限制，選擇了一種火車特種潤滑脂，該脂也是國外高速鐵路軸承專用脂。該油脂除了潤滑、防銹的作用外，還起到了密封的作用。油脂對于軸承壽命的影響主要是考慮運轉速度和工作溫度下潤滑的適當程度。潤滑的效果首先由軸承滾動接觸表面被油膜隔離的程度來決定，在油膜厚度、油的粘度合適、清潔程度良好的情況下，足以在軸承滾動接觸表面形成彈性流體動壓時，將形成良好的潤滑條件，對提高軸承壽命有益。滾動體在裝有潤滑脂的軸承內公轉運動時要受到流體的繞流阻力，滾動體自轉運動要受到流體的攪拌摩擦力矩。潤滑脂的摩擦在軸承總的摩擦力矩占很大比例，為了減小摩擦，高鐵軸承注入的脂的體積約占軸承內部自由空間的三分之一左右。

4 結束語

本文從結構、材料、加工工藝、潤滑等方面對影響高速鐵路軸承疲勞壽命的主要因素做了分析，該分析是軸承理論研究結合我公司高速鐵路軸承實際生產加工情況的一個初步分析，可作為分析因疲勞壽命不足而損壞的軸承的一種參考，同時對于如何提高高速鐵路軸承疲勞壽命也可作為一種參考。

［1］ 賈群義、鄧四二.滾動軸承設計原理［M］；河南：河南科技大學軸承研究所，2005.