鐵路軸箱軸承的可靠性

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

鐵路運輸?shù)牡谝晃灰笫前踩浴τ谳S箱軸承(包括無軸箱軸承)等關鍵部位零部件，必須要以其高可靠性來保證鐵路機車車輛(簡稱列車)運行的高安全性[1]。

軸箱軸承的可靠性要求貫穿于設計、制造、試驗和應用的全過程，形成了可靠性工程體系。正是由于在各個相關環(huán)節(jié)中嚴格實行以可靠性為中心的各種技術與管理措施，特別是與列車同步的維修制度和壽命管理規(guī)定，這是保證軸箱軸承達到高可靠性要求的核心內(nèi)容。

1 可靠性設計

對于軸箱軸承，包括高速動車組軸箱軸承，體現(xiàn)在設計中的可靠性并無更為嚴格的特殊要求——采用的是普通軸承常規(guī)90%的可靠度，而不是95%以上的高可靠度范疇，即設計壽命按L10計算。

在航空發(fā)動機等高可靠性關鍵件的設計中，一般經(jīng)驗準則是“設計壽命應達到規(guī)定使用壽命的2倍以上”[2]，即以2倍以上的設計壽命來保證其規(guī)定使用壽命的實現(xiàn)。對于軸箱軸承，也完全遵循這一準則，如以安全性要求最高的高速動車組為例，一般要求其軸箱軸承的設計計算壽命(即目標壽命)L10為超過使用壽命的2倍，有的公司則要求超過300萬千米，更高者要求超過500萬千米，并曾有最高達到848萬千米的案例，遠高于其規(guī)定使用壽命(如90萬千米免維修，180萬千米報廢；或120萬千米免維修，240萬千米報廢)的要求，即采用的是具有較高安全系數(shù)的“冗余設計”。

另外，在軸箱軸承L10的確定中，關于當量動載荷的計算，通過動載荷系數(shù)fz的設置(fz的一般取值為：機車1.3～1.8；貨車、客車1.2～1.5；高速動車組1.3～1.5或高達1.9～2.0)也保證了具有相當程度的安全冗余。

仍以高速動車組軸箱軸承為例，將實際應用中設計計算壽命L10平均約為400萬千米分別與規(guī)定使用壽命L′10(120萬千米和240萬千米)作簡單計算，得到可靠度修正系數(shù)a1。

對照國際標準ISO 281：2007(E)《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》給出的可靠度與修正系數(shù)a1之間的關系(表1)可知：對于120萬千米免維護的壽命要求，可靠度約為98.5%；對于240萬千米報廢的壽命要求，可靠度接近于95%。

表1 可靠度修正系數(shù)a1

若再計入動載荷系數(shù)fz的冗余，軸箱軸承的設計可靠度會更高。

設計可靠性稱之為產(chǎn)品的固有可靠性。固有可靠性越高，產(chǎn)品的使用性能和壽命可靠性越有保證。軸箱軸承的設計計算壽命要求是國際著名軸承公司基于長期積累的軸箱軸承失效經(jīng)驗和規(guī)律而總結形成的，故具有很高的可信度。

2 可靠性制造

保證產(chǎn)品可靠性的重要思路之一是從失效機理入手，嚴格控制甚至消除可能導致產(chǎn)品失效的缺陷。制造過程是體現(xiàn)這一要求的重要環(huán)節(jié)。

軸箱軸承的失效形式主要有滾動工作面疲勞、保持架斷裂、密封失效及內(nèi)圈內(nèi)徑面蠕動燒粘等。軸箱軸承若嚴重失效，將會導致熱軸、切軸發(fā)生，直接威脅行車安全。因此在制造中主要通過制訂和執(zhí)行嚴格的產(chǎn)品標準及相關的工藝規(guī)程、操作規(guī)范等來實行質(zhì)量控制與保證。

(1)我國有關鐵路軸箱軸承的鐵路行業(yè)標準TB/T 2591—2007《鐵路機車滾動軸承訂貨技術條件》和TB/T 2235—2010《鐵道車輛滾動軸承技術條件》中規(guī)定了以下主要內(nèi)容：

a.原材料及熱處理——機車軸箱軸承套圈采用電渣重熔或真空脫氣鋼GCr18Mo制造并應進行貝氏體淬火；車輛軸箱軸承中圓柱滾子軸承套圈采用電渣重熔鋼GCr18Mo 制造，圓錐滾子軸承套圈采用電渣重溶鋼G20CrNi2MoA制造，滾子采用電渣重溶鋼GCr15制造；

b.滾子凸度——滾子素線應進行凸度修型;

c.保持架——分別采用鋼板沖壓筐形保持架、銅制實體保持架和玻璃纖維增強聚酰胺保持架;

d.擴張試驗——機車和客車軸箱用圓柱滾子軸承內(nèi)圈應進行擴張試驗;

e.探傷和裂紋檢查——軸承套圈和滾子應進行100%的磁粉探傷及其他方法的裂紋檢查。

通過對以上規(guī)定的技術背景進行深入解讀，可進一步明確其目的。

a.采用電渣重熔或真空脫氣鋼——電渣重熔與真空脫氣鋼相比，盡管氧含量較高(目前真空脫氣鋼一般為5×10-6～15×10-6，電渣重熔鋼一般為15×10-6～25×10-6)，但其具有非金屬夾雜物少且細小均勻、組織致密度高、內(nèi)部和表面質(zhì)量優(yōu)良等特點，因此壽命長且離散度小，可靠性水平高且非常穩(wěn)定。高純凈度的優(yōu)質(zhì)真空脫氣鋼也能達到電渣重熔鋼的相似性能。采用電渣重熔或真空脫氣鋼制造軸箱軸承可很好地保證實現(xiàn)其使用壽命要求。對采用GCr18Mo限制性淬透鋼制造的套圈進行下貝氏體等溫淬火熱處理可顯著提高其沖擊韌性，有效避免淬火裂紋、磨削裂紋及裝用后產(chǎn)生的斷裂破壞。

b.采用凸度滾子——對圓錐滾子或圓柱滾子的直素線進行凸度修型，采用圓弧全凸修型，特別是采用對數(shù)曲線凸度修型，可有效解決滾子端部與滾道接觸處的應力集中現(xiàn)象，使應力沿滾子有效接觸長度分布均勻，避免出現(xiàn)早期疲勞剝落破壞。

c.內(nèi)圈進行擴張試驗——這是由于軸箱軸承為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈必須壓裝到車軸上形成過盈配合，以免產(chǎn)生松動、蠕動、摩擦發(fā)熱和摩擦銹蝕等現(xiàn)象。為了防止內(nèi)圈安裝時由于處于擴張狀態(tài)下拉應力過大而產(chǎn)生裂紋或斷裂破壞，應進行擴張量大于數(shù)倍(如3.5倍)過盈量的擴張試驗。擴張試驗后的內(nèi)圈進行磁粉探傷檢查不應有裂紋。

(2)在全球公認的鐵路軸箱軸承權威標準——歐洲標準BS EN 12080：2007《鐵路應用 軸箱 滾動軸承》中也有相應的規(guī)定，如：

a.套圈和滾動體所用鋼材按照EN ISO 683—17《球和滾子軸承鋼》的評級進行選用；

b.內(nèi)圈(表面淬硬鋼和貝氏體淬火鋼內(nèi)圈除外)應進行擴張試驗；

c.套圈內(nèi)部缺陷(非金屬夾雜物、氣泡等)檢查采用超聲波；套圈表面缺陷(磨削裂紋、熱處理淬火裂紋、軋制或鍛造疤痕、刮傷等)檢查采用磁粉探傷；滾動體表面缺陷(磨削裂紋、熱處理淬火裂紋、拉伸及打印的線狀刻痕等)檢查采用渦流探傷。對于列車運行速度超過200 km/h的軸承，應采用最高質(zhì)量級別“1級”(Class 1)的要求；低于200 km/h的軸承，可采用“2級”(Class 2)的要求。

通過上述的主要措施及相關要求，將易導致軸箱軸承早期失效和正常失效的各種機理性原因(如裂紋、斷裂及疲勞等)都在制造過程中進行了控制，因此可有效保證軸箱軸承的可靠性。

3 可靠性試驗

保證產(chǎn)品可靠性的另一個重要思路是通過試驗(包括常規(guī)試驗、強化試驗及模擬試驗等)予以驗證、分析及改進提高。

對于軸箱軸承設計與制造的可靠性(包括研發(fā)、試制和量產(chǎn)階段)，通常必須按照歐洲標準BS EN 12082：1998《鐵路應用 軸箱 性能試驗》的規(guī)定進行臺架試驗和運行試驗。

(1)臺架試驗。臺架試驗為性能試驗。性能試驗前需先進行預備試驗，目的是觀察軸承的熱反應并促使油脂重新分布。預備試驗包括4個循環(huán)，每個循環(huán)由2個基本行程組成，一個旋轉(zhuǎn)方向為一個行程，轉(zhuǎn)速分別為名義轉(zhuǎn)速的20%，50%，75%和100%。每個行程由啟動、恒速、減速和停止4個階段組成，僅施加徑向載荷。

性能試驗是在名義轉(zhuǎn)速下重復同樣的循環(huán)，直到規(guī)定的累積行程。每個循環(huán)由2個基本行程組成，一個旋轉(zhuǎn)方向為一個行程。2個行程中有一個短暫的停止，每個行程都由啟動、恒定的最大轉(zhuǎn)速(110%名義轉(zhuǎn)速)、減速和停止4個階段組成，施加一恒定的徑向載荷和一交變的軸向載荷。

(2)運行試驗。運行試驗為耐久性試驗，按照列車運行速度確定累積行程或時間：列車運行速度不超過200 km/h，至少 60萬千米或2年；列車運行速度超過200 km/h，至少100萬千米。

4 可靠性應用

軸箱軸承應用可靠性主要通過監(jiān)測、檢修和更換予以維護。

(1)監(jiān)測。軸承狀態(tài)監(jiān)測一直是鐵路安全監(jiān)測的主要內(nèi)容。在列車運行過程中，通過車載軸溫報警器、地面紅外線軸溫探測系統(tǒng)及軸承早期故障診斷裝置等實時監(jiān)測軸箱及軸承的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)失效前兆信號并進行安全處置。

(2)檢修和更換。列車的維修制度(簡稱修制)非常嚴格，一般分為日常檢修、定期檢修、轉(zhuǎn)向架檢修和大修4級，檢修模式由過去的定期修逐步改為按走行里程修為主、定期修為輔的模式，并大力推廣換件修、集中修等先進的檢修方式。對于高速動車組實行的修制則更為嚴格，如我國CRH系列動車組分為5級修程[3]，其中1，2級為運用檢修，3，4，5級為定期檢修，規(guī)定的檢修周期見表2。對于要求高可靠性的系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)中的低可靠性環(huán)節(jié)采取加大檢修頻度和縮短更換周期等措施即可實現(xiàn)系統(tǒng)所預期的可靠性要求。

表2 CRH系列動車組檢修周期

(3)壽命管理。在軸箱軸承的修制中，最核心的內(nèi)容是實行嚴格的壽命管理。以安全性要求最高的客運為例，客車和高速動車組軸箱軸承的壽命管理規(guī)定見表3。

表3 客車和高速動車組軸箱軸承的壽命管理規(guī)定

壽命管理建立在科學性的基礎上。長期而大量的實際應用證明，軸箱軸承的失效符合浴盆曲線，如圖1所示。根據(jù)這一失效規(guī)律，由于新軸承存在早期失效概率較高的風險，因此應嚴格質(zhì)保期要求，同時加大檢修頻度，以期能夠有效控制早期失效的發(fā)生。而使用1個周期后經(jīng)檢查沒有發(fā)現(xiàn)問題的軸承，已經(jīng)進入穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段，可再使用1或2個及以上周期，然后在疲勞老化階段前強制報廢，此時失效率最低。相反，若在使用1個周期后全部更換為新軸承，不僅不能提高其可靠性，而且還存在著又面臨早期失效頻發(fā)的更大風險。

圖1 軸箱軸承失效的浴盆曲線

5 結束語

可靠性是設計出來的，同時也是經(jīng)制造、試驗、應用及維修等實現(xiàn)出來的。鐵路軸箱軸承技術狀態(tài)直接關系到列車的運行品質(zhì)、速度和安全性，必須在各個環(huán)節(jié)給予充分重視和保障，才能以其長時間免維護的高可靠性實現(xiàn)鐵路運輸?shù)母甙踩浴?/p>

鐵路軸箱軸承盡管是列車運行系統(tǒng)的關鍵零部件，但也是可維修件和易更換件，因此按照可靠性原理，對其設計的固有可靠性可不必過高追求，而應在制造中嚴格進行產(chǎn)品質(zhì)量控制和質(zhì)量體系保證，最重要的是基于長期的工程應用經(jīng)驗積累與規(guī)律總結，通過實時監(jiān)測、及時檢修，特別是設定嚴格的壽命管理進行強制報廢與更換，控制或避免由于軸承嚴重失效導致行車危險事故，特別是重大財產(chǎn)損失和人身傷害事故的發(fā)生，這才是實現(xiàn)保證列車運行安全性的最關鍵措施。