高速列車牽引電機軸承潤滑脂的研制及應用

王越，李建明，張遂心，曹君慈，毛菁菁

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，蘭州 730060；2.中國石油昆侖潤滑檢測評定中心，蘭州 730070；3.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

高速列車作為現代化的交通工具，具有速度快，運量大，安全舒適和清潔環保等優點。鐵路技術的快速發展帶動了機械構件性能的提高，牽引電機軸承作為牽引電動機中的關鍵部件，承載著轉子重量及運行中的振動和沖擊，列車高速化使軸承轉速提高，從而導致軸承振動和溫度上升，且牽引電動機要求小型化和輕量化使潤滑脂用量減少，同時要求檢修周期長，對潤滑脂壽命提出了更高的要求[1-2]。潤滑脂的質量決定了軸承運行的穩定性和可靠性，對高速列車的安全運營起著十分重要的作用。

目前,高速列車牽引電機軸承使用的潤滑脂均為進口脂，其通常會作為初裝脂與進口軸承一起被引進，而國內研發的新軸承和潤滑脂很難直接在高速列車上進行試驗，必須先利用專業的試驗臺架進行軸承和潤滑脂的可靠性試驗與研究。某大學的NTN臺架是國內唯一可進行高速列車牽引電機軸承耐久性試驗的專用設備，能根據實際工況進行不同轉速、軸向和徑向載荷、溫度、潤滑油脂等綜合條件下的試驗[3]。利用該軸承試驗臺開展新產品的研制和應用研究，對高速列車牽引電機軸承潤滑脂的國產化具有重要意義。

1 產品指標的確定

牽引電機軸承主要承受轉子軸和聯軸節或齒輪作用引起的徑向載荷，高速旋轉并實現頻繁啟停，最高轉速可達6 000 r/min以上[4]。牽引電動機的傳動端采用NU214圓柱滾子軸承，非傳動端采用6311深溝球軸承，dmn>5×104mm·r/min，要求潤滑脂必須具有良好的機械安定性；我國南方夏季軸承運行溫度最高可達100 ℃左右，北方冬季最低氣溫低于-40 ℃，要求潤滑脂既能耐高溫和抗氧化，又可在低溫下保持潤滑性；在規定的運行期(或者運行里程)內可實現免維修[5]，為確保安全性，要求潤滑脂具有長的使用壽命。根據實際工況，結合現用進口脂的理化性能分析結果，制定了新研脂的暫定技術指標，見表1。

表1 進口脂的典型值和新研脂的目標技術規范

2 新研脂的制備及理化性能分析

通過大量試驗篩選了基礎油和添加劑，并考察對應的制備工藝，形成以復合鋰皂為稠化劑，聚α烯烴+礦物油為基礎油，并添加抗氧劑、防銹劑、極壓抗磨劑和高效減摩劑的產品配方。同時，按確定配方和工藝進行3次200 kg規模的中試放大生產，實驗室試樣與中試各批次試樣的理化性能見表2，中試各批次試樣與實驗室試樣性能相差不大，均滿足產品的技術指標要求。與進口脂性能相當，說明產品質量穩定，工藝可靠，具有優良的機械安定性、抗氧防腐性及良好的抗磨減摩性能，同時具有較長的潤滑壽命。

表2 實驗室試樣與中試生產試樣的檢測結果

3 高速列車牽引電機軸承臺架試驗

為考察新研脂與高速列車牽引電機軸承的適應性，在NTN臺架上模擬標準化動車組時速385 km/h時的牽引電機軸承實際轉速，進行高速列車牽引電機軸承潤滑脂壽命試驗，通過急加速試驗、溫升試驗和耐久性試驗確定潤滑脂是否滿足高速列車牽引電機軸承運行的標準要求[6]。

3.1 試驗條件

NTN牽引電機軸承試驗臺主機部分配置如圖1所示。試驗軸承及潤滑脂用量見表3。

圖1 牽引電機軸承試驗臺主機圖

表3 試驗軸承型號及裝脂量

3.2 臺架試驗方法

NTN臺架試驗分為3個部分：依次進行急加速試驗、溫升試驗、耐久性試驗。試驗過程中采用徑向加載，載荷值為2 400 N。

急加速試驗：從靜止快速提高到某一高速，確認在急加速時有無異常發熱，主要考察軸承和潤滑脂的動態特性(圖2a)。

溫升試驗：在軸向和徑向載荷固定的條件下呈階梯狀升高轉速，考察軸承在某速度下的溫升，每個轉速的時間段控制在溫度穩定后1 h左右(圖2b)。

耐久性試驗：使用同一套軸承，按列車運行速度385 km/h(軸承轉速5 800 r/min)運行12×105km，考察潤滑脂和軸承的耐久性[3](圖2c)。

圖2 NTN臺架試驗轉速譜

試驗過程中監測深溝球軸承和圓柱滾子軸承的溫度和振動，根據大量的臺架試驗數據和相關專家的建議，將該牽引電動軸承試驗的溫度限值設定為100 ℃，振動限值設定為80g(g為重力加速度)，當溫度或振動超出限值，試驗臺自動報警停機。

3.3 臺架試驗過程中的潤滑狀態監測

3.3.1 急加速試驗和溫升試驗

新研脂(中試試樣1)在高速牽引電機軸承試驗臺上先低速跑合，然后進行急加速和溫升試驗，監測試驗過程中的溫度和振動(圖3和圖4)，急加速試驗和溫升試驗狀態良好，振動和溫度都遠低于限值，說明新研脂能滿足急加速和溫升試驗的潤滑需要。

圖3 急加速試驗過程中軸承的溫度和振動曲線

圖4 溫升試驗過程中軸承的溫度和振動曲線

3.3.2 耐久性試驗

新研脂的耐久性試驗結果如圖5所示，新研脂耐久性試驗運行了3 121.5 h，實際運行里程超過12×105km，耐久性試驗過程中使用新研脂的軸承溫度和振動都遠低于限值，說明新研脂具有極佳的潤滑穩定性和可靠性，能夠延長軸承的補脂周期。

圖5 耐久性試驗過程中軸承的溫度和振動曲線

3.4 試驗完成后的軸承拆解

對新研脂耐久性試驗后的6311軸承和NU214軸承零件表面形貌和熱處理質量進行檢驗與分析，新研脂耐久性試驗后軸承的拆解狀態如圖6所示，NU214軸承保持架完好，內圈基本無磨痕、無變色；6311軸承保持架只有輕微變色，外圈溝道面基本無磨痕。

圖6 新研脂耐久性試驗后軸承拆解狀態

采用洛氏硬度計分別對新研脂耐久性試驗后軸承的內外圈、滾動體進行硬度檢測，結果見表4，套圈硬度均符合GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》中200 ℃回火的要求(59～64 HRC)，滾動體均符合常規回火后硬度要求(61～66 HRC)。

表4 耐久性試驗后軸承零件硬度檢測結果

耐久性試驗后軸承零件的顯微組織經切割、磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察，其檢驗結果見表5，均滿足GB/T 34891—2017的要求。

表5 耐久性試驗后軸承零件顯微組織檢驗結果

綜上可知，新研脂經過3 000多小時的耐久性試驗后,軸承狀態依然良好，仍能繼續使用。

4 結論

通過在NTN高速牽引電機軸承試驗臺上對新研脂進行急加速試驗、溫升試驗和12×105km的耐久性試驗，得到以下結論：

1)新研脂綜合性能優異，臺架試驗運行期間軸承保持較低的溫升和振動幅度，表現出優異的潤滑穩定性和極長的壽命，通過了高速列車牽引電動機臺架試驗。

2)耐久性試驗后軸承套圈、滾動體的硬度和顯微組織均符合相關標準要求；軸承運轉軌跡正常，整體無偏載；軸承零件色澤正常，未見燒傷組織，說明軸承運轉過程中潤滑良好。