王多亮，任子晶，趙 燕

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱150036；2.哈爾濱軸承集團(tuán)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(xiàn)代社會(huì)的一種新的運(yùn)輸方式，在安全、快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面都具有極為明顯的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，為配合中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)鐵路決定把發(fā)展客運(yùn)高速作為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的一個(gè)主要方向。依靠自主創(chuàng)新，中國(guó)高速鐵路從無(wú)到有，經(jīng)過10多年的高速鐵路建設(shè)和對(duì)既有鐵路的高速化改造，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程將突破1.3×104km，同時(shí)我國(guó)的軌道交通技術(shù)裝備逐步提高并實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但作為基礎(chǔ)精密配件的軸承，我國(guó)目前主要依靠進(jìn)口。高速鐵路客車軸承（圖1）的高可靠性，長(zhǎng)壽命要求，制約著我國(guó)高鐵軸承的研發(fā)，現(xiàn)從結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝方面對(duì)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(shí)要求在使用期內(nèi)能保持所需要的性能指標(biāo)。當(dāng)由于安裝不正確、潤(rùn)滑不良、配合不當(dāng)、塵埃和異物進(jìn)入等原因造成性能指標(biāo)低于使用要求不能正常工作，或者軸承中任一滾動(dòng)體或滾道出現(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)最基本且必須之關(guān)鍵性零件，在負(fù)荷和溫度及可靠性上，都有嚴(yán)格的規(guī)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(shè)計(jì)的基本要求之一。

2.2 疲勞壽命計(jì)算

修正額定壽命

p－軸負(fù)荷

Pr=P×f1

f1－動(dòng)載荷系數(shù)

Cr－額定動(dòng)載荷

a1－可靠性系數(shù)（n=10）a1＝1

（n=5）a1=0.62

（n=1）a1=0.21

a2－材料與設(shè)計(jì)系數(shù)1.4～1.8

a3－應(yīng)用與潤(rùn)滑系數(shù)，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(shè)計(jì)載荷、軸承的結(jié)構(gòu)、材料因素、潤(rùn)滑情況等因素影響，對(duì)這些方面有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 高速鐵路軸承結(jié)構(gòu)示意圖

因?yàn)槭茌d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(jié)構(gòu)，無(wú)論是哪種結(jié)構(gòu)都要求承受徑向、軸向聯(lián)合載荷，在設(shè)計(jì)中增加滾動(dòng)體（件04）的數(shù)量、增大直徑、長(zhǎng)度，提高其承載能力，同時(shí)改善潤(rùn)滑條件，增加孔、槽等設(shè)計(jì)，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(jìn)入。以上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有助于改善軸承的使用環(huán)境，提高軸承的抗沖擊能力，延長(zhǎng)軸承的壽命。

3.2 材料的影響

材料的化學(xué)成分和冶煉方法對(duì)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(qiáng)的滲碳鋼GCr18Mo作為生產(chǎn)套圈的材料，隨著鐵路軸承高可靠性、長(zhǎng)壽命的要求越來越嚴(yán)格，對(duì)軸承材料性能指標(biāo)的要求也逐步提高，目前我公司試制的高鐵軸承使用了國(guó)內(nèi)新研發(fā)的材料,其化學(xué)成分接近歐洲鐵路軸承的先進(jìn)材料。

鋼鐵的冶煉方式經(jīng)過了普通冶煉、真空脫氣冶煉、真空重熔冶煉三個(gè)階段，試驗(yàn)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(guó)軸承鋼材氧含量已經(jīng)接近國(guó)外先進(jìn)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(guó)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(qū)等，造成軸承質(zhì)量先天不足，嚴(yán)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(zhǎng)壽命的趨勢(shì)，軸承企業(yè)應(yīng)與冶金企業(yè)展開合作，促使冶金企業(yè)在進(jìn)一步降低氧含量的基礎(chǔ)上，開展?jié)沧⒛碳夹g(shù)、軋制技術(shù)、夾雜物控制及檢測(cè)技術(shù)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(yàn)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(zhǎng)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(fā)生疲勞破壞，可見在鍛造、車削加工過程中應(yīng)盡力沿平行纖維流線的方向進(jìn)行加工，盡量減少對(duì)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(jié)構(gòu)和性能的重要手段一直備受關(guān)注。針對(duì)不同的材料制定合理的熱處理工藝，使碳化物的顆粒細(xì)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(yīng)力狀態(tài)，提高軸承在污染潤(rùn)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(zhì)層，減小表面粗糙度，使工件表面形成壓應(yīng)力，壓應(yīng)力可抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展速度，延長(zhǎng)疲勞壽命。磨削加工實(shí)際上是多刀同時(shí)切削的加工工藝，磨削加工的進(jìn)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(qū)域的溫度通常都較高，可高達(dá)800-1000℃，容易引起工件表面局部燒傷，磨削加工熱應(yīng)力會(huì)使工件變形，甚至使工件表面產(chǎn)生裂紋; 同時(shí)因?yàn)槟ハ骷庸み^程中會(huì)產(chǎn)生大量的金屬磨屑和砂輪碎末，會(huì)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(jìn)給量、切削力大小的控制等。

3.4 潤(rùn)滑的影響

通常所說的軸承五大件分別指軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架、潤(rùn)滑劑，可見在現(xiàn)代軸承理論中軸承的潤(rùn)滑及潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑的選擇對(duì)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)起了至關(guān)重要的作用。根據(jù)不同的工況條件應(yīng)選擇合適的潤(rùn)滑方式，高速鐵路軸承由于使用環(huán)境的限制，選擇了一種火車特種潤(rùn)滑脂，該脂也是國(guó)外高速鐵路軸承專用脂。該油脂除了潤(rùn)滑、防銹的作用外，還起到了密封的作用。油脂對(duì)于軸承壽命的影響主要是考慮運(yùn)轉(zhuǎn)速度和工作溫度下潤(rùn)滑的適當(dāng)程度。潤(rùn)滑的效果首先由軸承滾動(dòng)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(dòng)接觸表面形成彈性流體動(dòng)壓時(shí)，將形成良好的潤(rùn)滑條件，對(duì)提高軸承壽命有益。滾動(dòng)體在裝有潤(rùn)滑脂的軸承內(nèi)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到流體的繞流阻力，滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要受到流體的攪拌摩擦力矩。潤(rùn)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(nèi)部自由空間的三分之一左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝、潤(rùn)滑等方面對(duì)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(jié)合我公司高速鐵路軸承實(shí)際生產(chǎn)加工情況的一個(gè)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(shí)對(duì)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(dòng)軸承設(shè)計(jì)原理［M］；河南：河南科技大學(xué)軸承研究所，2005.