速度400 km/h 高速列車軸箱軸承技術研究

段耀凱，楊 晨，張玉梅，吳興文，姚雪松，石 磊，周 國，池茂儒，梁樹林，劉志恒

（1 舍弗勒貿易（上海）有限公司，上海 201804；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

高速列車轉向架是軌道車輛結構中最為重要的部件之一，轉向架的各種參數也直接決定了車輛的穩定性和車輛的乘坐舒適性。其主要作用是承受車體載荷，并安裝車輛的動力驅動裝置和軸箱系統，如圖1 所示。軸箱軸承是轉向架的重要機械運轉部件。軸箱軸承傳遞整個車體載荷到車軸并同時進行高速運轉。車輪的多邊形磨耗以及鋼軌的不平順導致了車輪的振動，引起軸箱軸承載荷的波動。同時輪軸在承受車體載荷后產生撓曲變形，也會影響到軸箱軸承內部的滾子和滾道的載荷分布［1-2］。軸箱軸承的工況條件包含高速、重載、高溫、大溫差和高振動沖擊等。因此，從車輛運行的安全性出發，軸箱軸承是高速列車的關鍵技術之一。

圖1 高速列車轉向架和軸箱

為研發更高速度、更加安全、更加環保、更加節能、更加智能的復興號動車組新產品，國鐵集團啟動運營速度為400 km/h 的高速鐵路項目。如何通過軸箱系統的優化設計提升其速度能力達到400 km/h 的運營速度成為軸承和軸箱設計者的新挑戰。

1 現有高速列車軸箱軸承設計形式分析和檢修情況

當前，在中國高速列車上應用的軸箱軸承主要有兩種設計形式：一種是雙列圓錐滾子軸承，另一種是雙列圓柱滾子軸承，如圖2 所示。兩類軸承在中國高鐵線路都有長期的運行使用經驗。從軸承滾道的幾何設計形式和承載方式看，雙列圓錐軸承通過小傾角設計的斜面滾道承受橫向載荷和垂向載荷。雙列圓柱軸承的垂向載荷由直面滾道承擔，而橫向載荷則通過滾子的端面和套圈擋邊承擔［3］。

圖2 現有軸箱軸承

滾動軸承的滾動體和滾道需要相對運動速度和壓力形成潤滑油膜，但是由于軌道車輛蛇行運動的特點，作用在輪軸上的橫向載荷方向不斷發生改變［4］。所以，軸箱軸承承受的橫向載荷是瞬時交變載荷。在瞬時交變載荷作用下，雙列圓柱滾子軸承的滾子相對滾道左右竄動，套圈擋邊和滾動體端面瞬時接觸脫離，不是穩定接觸狀態，因此，擋邊的接觸部位無法形成有效的潤滑油膜，容易導致接觸部位的磨損和材料剝離。與之相反，雙列圓錐軸承的橫向載荷通過斜面滾道傳遞，在車體垂向載荷的作用下，即使橫向載荷改變方向，承載區的滾動體和滾道也可以始終保持接觸，因此更利于滾道面潤滑油膜的建立。某些高鐵線路軸箱軸承檢修數據統計結果顯示：某型號雙列圓柱軸箱軸承總檢修7 314 套，修復5 623 套，修復率77%，報廢的主要原因是軸承滾動體端面和擋邊磨損。與此對比，某公司的雙列圓錐軸箱軸承檢修12 245 套，修復11 675 套，修復率95%。因此，從軸承承載方式和設計選型角度出發，雙列圓錐軸承更適合高速列車的應用工況。

然而雙列圓錐軸承也并不是完美的解決方案。為了防止圓錐軸承運轉過程中滾動體在離心力作用下脫離滾道，其內圈需要設計擋邊。擋邊和滾子端面的接觸是滑動摩擦。雖然接觸載荷很小，但是對于速度400 km/h 的高速列車，此處仍然會產生大量的摩擦熱，而摩擦熱恰恰是導致軸承高溫的主要因素。

在高鐵現有線路的運營記錄中，也有一定數量的雙列圓錐軸箱軸承高溫報警的記錄，特別是在炎熱的夏季和某些特殊的路段。軸箱軸承發生高溫報警后，車輛需要降速運行，嚴重影響高鐵線路運行的效率和可靠性［5-6］。因此，如何優化現有雙列圓錐軸箱軸承的設計參數以降低摩擦熱，對于提升高速列車速度能力達到400 km/h，確保在其在炎熱季節安全高效運行，非常有意義。

2 基于軸承—車輛—軌道耦合動力學模型的載荷計算

車輛在服役過程中，輪軌載荷往往伴隨著高頻成分，由于輪對、軸箱等部件并非嚴格的剛體，且直接承受輪軌激擾，因此會產生一定的柔性變形和彈性振動［7］。此外，軌道結構在輪軌力的作用下，撓性變形和模態振動同樣不可避免［8］。因此，文中建立了車輛—軌道剛柔耦合動力學模型，該模型是一個自由度數目較多的系統，軸承作為一個非線性極強的時變剛度系統，如果直接嵌入上述模型，勢必增大計算量，影響仿真速度，因此文中提出了一種等效剛度建模的方式，對軸承模型進行簡化，進一步建立了軸承—車輛—軌道耦合動力學模型，如圖3 所示，并基于該模型計算并統計了典型服役工況下的軸承服役載荷譜。

圖3 軸承—車輛—軌道耦合動力學模型

2.1 軸承—車輛—軌道耦合動力學模型

2.1.1 等效軸承模型

滾動軸承在組合載荷作用下由于滾動體和套圈之間的接觸彈性變形，軸承內、外圈在載荷方向上發生相對彈性位移。一般情況下，軸承受徑向、軸向和力矩載荷聯合作用時，內、外圈將發生相應的徑向位移δr，軸向位移δa和角位移θ。滾動軸承的剛度定義為在載荷方向上軸承內，外圈產生的相對彈性位移量所需的外加載荷，滾動軸承的彈性變形影響軸系的剛性。

根據載荷和位移的方向不同，軸承徑向剛度表示為式（1）：

軸承軸向剛度表示為式（2）：

軸承的角剛度表示為式（3）：

車輛系統動力學中軸承模型的拓撲圖如圖4所示。建立軸承質量體，軸承體與車軸之間采用2號鉸連接，即僅有點頭自由度。轉臂軸箱與軸承體之間，采用Simpack 軟件中的43 號力元模擬軸承的等效剛度，等效剛度值采用某公司的BearingX 軟件計算。軸箱相對大地采用7 號鉸，即擁有縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭6 個自由度。

圖4 軸承—車輛動力學拓撲模型

2.1.2 車輛—軌道剛柔耦合動力學模型

該模型中，車輛系統為我國某型高速列車，由1 個車體、2 個構架、4 個輪對、8 個轉臂、4 個電機、4 個齒輪箱組成，車體通過二系懸掛支撐在轉向架構架上，而構架和軸箱間則通過一系懸掛相連，軸箱通過軸承分別安裝在輪對兩側，電機直接連結固定在構架上，齒輪箱一端鉸接在車軸上，一端通過彈性吊桿與構架相連。車體、構架、輪對和軸箱均取6 個自由度，即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭；齒輪箱考慮1 個自由度，即點頭。模型中考慮了懸掛的非線性特征，輪軌法向力采用Hertz 接觸理論進行計算，切向力通過Kalker 簡化理論獲得［9］。

使用文獻［10］中的模態綜合法將車輛模型中的輪對和軸箱考慮為柔性。采用文獻［11］的方法，將軌道系統中的鋼軌考慮為離散支撐的鐵摩辛柯梁，軌道板則采用有限元的方法建模，它們的響應利用模態疊加法進行計算，扣件和軌道板下的彈性水泥砂漿層則用線性彈簧—阻尼單元模擬。

2.2 典型軸承載荷的計算結果

基于2.1 節的軸承—車輛—軌道耦合動力學模型，計算中軸承的徑向剛度、軸向剛度和角剛度分別為6 997.6 MN/m、602.6 MN/m 和24 797 304.0 N·m/rad，以旋修后24 萬km 的實測車輪多邊形磨耗施加于導向位車輪周向，在此基礎上，考慮了京津軌道譜對車輛系統的激勵作用，同時考慮了實測車輪踏面，最后計算了車輛的軸承載荷與振動加速度。其中，多邊形化車輪的實測表面不平順與階次如圖5 所示。

圖5 實測車輪多邊形磨耗

某車型在400 km/h 時多體動力學仿真的軸箱軸承載荷數據如圖6 所示，分別給出了仿真得到的軸承橫向載荷時域圖及其對應的載荷分布直方圖、軸承垂向載荷時域圖及其對應的載荷分布直方圖。對得到的載荷利用公式（4）等效簡化計算后，獲得的軸箱軸承等效載荷見表1。等效橫向載荷和等效垂向載荷比值為0.05，可見軸箱軸承的載荷特點是徑向大載荷，軸向交變小載荷。

表1 軸箱軸承載荷等效計算 單位：kN

圖6 軸箱軸承載荷多體動力學仿真結果

式中：Fq為等效載荷絕對值（垂向和橫向）；Fn為第n個載荷分量的絕對值；an為第n個載荷分量對應的百分比；q為滾子系數，對于圓錐滾子軸承取10/3。

3 軸箱軸承系統優化設計方案

提高現有軸箱軸承的速度能力，需要從兩方面進行：一方面是對現有軸承進行優化設計降低軸承摩擦發熱；另一方面要對軸箱系統的散熱結構進行優化設計。

3.1 軸承摩擦功耗計算

軸承摩擦功耗計算采用Kispert 計算方法，主要考慮了潤滑脂黏性和軸向載荷的相關影響因素，因為高速列車軸箱軸承采用的是非接觸式密封，所以不考慮密封引起的摩擦功耗損失［12-13］。

3.2 軸箱軸承減摩擦設計

X-life 系列軸承產品是某公司低摩擦、長壽命、高可靠性設計的新軸承產品。X-life 設計的雙列圓錐軸箱軸承產品在下列幾個方面進行了減摩擦優化系統化設計：

首先，潤滑油脂的攪動發熱是影響高速列車下軸承發熱的重要因素，降低潤滑油脂的基礎黏度也可以有效降低軸承摩擦發熱。根據高速列車軸箱軸承高速工況的具體特性，在保證軸承充分潤滑的前提下，將原有40 °C 對應基礎油黏度為82 mm2/s 的潤滑油脂更換為基礎油黏度為42 mm2/s 的低摩擦油脂。

其次，優化軸承內部設計參數。對于圓錐滾子軸承，內圈擋邊和滾子端面的滑動摩擦Ts的理論計算為式（5）［14］：

式中：e為滾子擋邊接觸點距離；μ0為滾子端面與擋邊之間的摩擦系數；β為滾子半錐角；Fa為軸向載荷；Λ 為油膜參數；t為溫度參數；σ為擋邊粗糙度。

從公式（5）中看到，軸承擋邊的接觸點位置e和擋邊的摩擦系數是影響擋邊滑動摩擦的關鍵因素，X-life 設計的軸箱軸承通過優化這2 個參數來降低圓錐滾子軸承的摩擦發熱。

另外，軸承套圈和滾動體的表面摩擦系數也是影響軸承摩擦功耗的關鍵因素，通過優化滾道表面加工工藝，綜合利用表面粗糙度參數Rk、Rpk和Rvk評價和控制滾道表面質量［15］，可以將軸承的摩擦發熱進一步降低。

根據表1 中載荷數據計算的雙列圓錐設計的軸箱軸承的摩擦發熱功耗與運轉速度的關系如圖7 所示。X-life 設計的雙列圓錐滾子軸箱軸承，同原有設計相對比，可以有效降低軸箱軸承的摩擦發熱。特別是車速越高，兩者的摩擦發熱差值越大。當車速為400 km/h，X-life 設計軸承的摩擦發熱功耗為1 561 W，原設計軸承的摩擦發熱功耗為2 055 W，前者比后者降低了494 W，大約降低了24%。

圖7 軸箱軸承車速和摩擦功耗的關系

3.3 軸箱軸承臺架試驗對比

根據DIN EN 12082 標準對軸箱軸承進行臺架測試，臺架試驗示意如圖8 所示。在軸箱殼體靠近軸承外圈位置設置溫度檢測點。測試過程中，對測試軸承施加恒定的數值為91.5 kN 的垂向載荷FR和周期方向交替改變的數值為16.7 kN 的橫向載荷FA。設計雙列圓錐軸箱軸承的臺架測試的溫度如圖9 所示，測試軸轉速2 461 r/min，對應車速350 km/h，軸箱監測點溫度在75 °C 上下波動，瞬時最大溫度點接近90 °C 的溫度報警線。X-life 設計的雙列圓錐軸箱軸承的臺架測試外圈溫度如圖10所示。測試軸轉速2 668 r/min，對應車速400 km/h，軸箱監測點溫度在60 °C 上下波動。對比發現，X-life設計的雙列圓錐軸箱軸承在更高的運轉速度下，運轉溫度大概降低了15 °C。

圖8 軸箱軸承臺架試驗示意圖

圖9 當前設計雙列圓錐滾子軸箱軸承臺架試驗溫度

圖10 X-life 設計雙列圓錐滾子軸箱軸承臺架試驗溫度

臺架測試的結果表明，X-life 設計的雙列圓錐軸箱軸承完全可以滿足高速列車更高運營速度的技術要求。

3.4 軸箱體材料優化及軸箱系統溫度特性分析

為了研究軸箱系統線路運營的熱穩定性，軸箱軸承需要和軸箱系統集合為一個整體，進行系統的熱平衡計算。用CERO 軟件建立軸箱系統熱仿真分析簡化模型，包括軸箱體、軸箱端蓋、軸箱軸承、前后擋圈和部分車軸，如圖11 所示。各部件的熱仿真參數見表2，軸承套圈、滾動體和軸箱擋圈材料設置為結構鋼，軸箱體和軸箱端蓋在不同計算中分別設置為鑄鐵和鋁合金。不考慮軸承溫度分布的不均勻性，將車速400 km/h 時計算的原有雙列圓錐滾子軸承發熱量2 055 W 作為熱源設置在軸承體外圈表面。系統散熱主要考慮列車高速運行時空氣的對流散熱。為了考慮炎熱夏季這一極端工況，將環境溫度設置為40 °C。

表2 不同材料的熱仿真模型輸入參數

采用簡化計算方法估算空氣對流換熱系數為式（6）［16］：

式中：h為對流換熱系數，W/（m2·K）；v為空氣流速，m/s；l為空氣流經路徑上的距離，m。

根據公式（6）計算得出車速400 km/h 時的軸箱系統外表面各處的空氣對流換熱系數見表3。將其施加到熱仿真模型對應部件表面。

表3 軸箱表面的空氣對流系統參數計算（車速/風速：400 km/h 對應111 m/s）

現有鑄鐵軸箱系統熱仿真結果，軸箱體和端蓋材料設置為鑄鐵材料。當列車持續運行在400 km/h 時，軸箱系統的最大溫度是109.1 °C，如圖12 所示。根本原因是由于單位時間內軸承的摩擦發熱大于軸箱體表面空氣對流散失的熱量。熱量積聚在箱體內而導致軸箱軸承溫度持續升高。

圖12 現有鑄鐵軸箱系統熱平衡仿真

簡單提高軸箱散熱性能的措施是把軸箱體材料從鑄鐵換成導熱性更好的鋁合金，采用鋁合金作為箱體材料的軸箱熱仿真結果如圖13 所示，在相同的車速和環境溫度下，箱體的最高溫度89.3 °C，相比鑄鐵軸箱體，箱體系統最高溫度降低了約20 °C。

圖13 鋁合金軸箱系統熱平衡仿真

可見通過軸箱系統的散熱優化設計，也可以在不降低軸承摩擦發熱前提下大幅降低軸箱的運轉溫度。從而保證了整個系統在極端工況如環境高溫和高速下的熱穩定性。

但是在高速列車上應用鋁合金軸箱，還要考慮下列影響因素：

首先，由于鋁合金的強度要遠低于鑄鐵，需要在軸箱關鍵承載部位采用加強設計增加鋁合金軸箱的強度。

其次，鋁合金軸箱比鑄鐵軸箱的熱膨脹系數更大，導致運轉過程中，軸承外圈和軸箱孔的配合間隙改變，所以軸箱的配合孔徑需要重新設計。

4 結論

通過分析高速列車的實際路譜下的動態載荷特性，結合現有雙列圓錐和雙列圓柱軸箱軸承的線路運行檢修修復率數據，明確了雙列圓錐軸箱軸承的幾何設計結構更適合高速列車運轉工況。

針對現有某系列動車組提速至400 km/h 運營速度這一課題，圍繞雙列圓錐軸箱軸承低摩擦優化設計和軸箱體散熱優化設計進行研究。軸箱軸承的摩擦功耗仿真計算結果表明：車速400 km/h，X-life設計的雙列圓錐軸箱軸承摩擦發熱功耗比原設計的雙列圓錐軸箱軸承大約降低了24%。臺架測試的結果表明：在更高的車速下，X-life 設計的雙列圓錐軸箱軸承的運轉溫度比原有雙列圓錐軸箱軸承的運轉溫度降低了大約15 °C。

穩態熱分布計算結果表明：在環境溫度均為40 °C，同樣的熱源（軸承發熱功耗2 055 W）和散熱條件下，鋁合金軸箱體的最高溫度89.3 °C，相比鑄鐵軸箱體的最高溫度109.1 °C，箱體系統最高溫度降低了約20 °C。

綜上所述，采用低摩擦X-life 設計的雙列圓錐軸箱軸承和優化軸箱的散熱性能均可有效降低高速列車軸箱軸承的運轉溫度，保障高速列車軸箱軸承在400 km/h 速度下的安全高效運行。