楊曉蔚

(洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

鐵路運(yùn)輸?shù)牡谝晃灰笫前踩?。?duì)于軸箱軸承(包括無(wú)軸箱軸承)等關(guān)鍵部位零部件，必須要以其高可靠性來(lái)保證鐵路機(jī)車車輛(簡(jiǎn)稱列車)運(yùn)行的高安全性[1]。

軸箱軸承的可靠性要求貫穿于設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和應(yīng)用的全過(guò)程，形成了可靠性工程體系。正是由于在各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)中嚴(yán)格實(shí)行以可靠性為中心的各種技術(shù)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(dá)到高可靠性要求的核心內(nèi)容。

1 可靠性設(shè)計(jì)

對(duì)于軸箱軸承，包括高速動(dòng)車組軸箱軸承，體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的可靠性并無(wú)更為嚴(yán)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(shè)計(jì)壽命按L10計(jì)算。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高可靠性關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)中，一般經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是“設(shè)計(jì)壽命應(yīng)達(dá)到規(guī)定使用壽命的2倍以上”[2]，即以2倍以上的設(shè)計(jì)壽命來(lái)保證其規(guī)定使用壽命的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軸箱軸承，也完全遵循這一準(zhǔn)則，如以安全性要求最高的高速動(dòng)車組為例，一般要求其軸箱軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算壽命(即目標(biāo)壽命)L10為超過(guò)使用壽命的2倍，有的公司則要求超過(guò)300萬(wàn)千米，更高者要求超過(guò)500萬(wàn)千米，并曾有最高達(dá)到848萬(wàn)千米的案例，遠(yuǎn)高于其規(guī)定使用壽命(如90萬(wàn)千米免維修，180萬(wàn)千米報(bào)廢；或120萬(wàn)千米免維修，240萬(wàn)千米報(bào)廢)的要求，即采用的是具有較高安全系數(shù)的“冗余設(shè)計(jì)”。

另外，在軸箱軸承L10的確定中，關(guān)于當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算，通過(guò)動(dòng)載荷系數(shù)fz的設(shè)置(fz的一般取值為：機(jī)車1.3～1.8；貨車、客車1.2～1.5；高速動(dòng)車組1.3～1.5或高達(dá)1.9～2.0)也保證了具有相當(dāng)程度的安全冗余。

仍以高速動(dòng)車組軸箱軸承為例，將實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)計(jì)算壽命L10平均約為400萬(wàn)千米分別與規(guī)定使用壽命L′10(120萬(wàn)千米和240萬(wàn)千米)作簡(jiǎn)單計(jì)算，得到可靠度修正系數(shù)a1。

對(duì)照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281：2007(E)《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》給出的可靠度與修正系數(shù)a1之間的關(guān)系(表1)可知：對(duì)于120萬(wàn)千米免維護(hù)的壽命要求，可靠度約為98.5%；對(duì)于240萬(wàn)千米報(bào)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(jì)入動(dòng)載荷系數(shù)fz的冗余，軸箱軸承的設(shè)計(jì)可靠度會(huì)更高。

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算壽命要求是國(guó)際著名軸承公司基于長(zhǎng)期積累的軸箱軸承失效經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律而總結(jié)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(jī)理入手，嚴(yán)格控制甚至消除可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效的缺陷。制造過(guò)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(dòng)工作面疲勞、保持架斷裂、密封失效及內(nèi)圈內(nèi)徑面蠕動(dòng)燒粘等。軸箱軸承若嚴(yán)重失效，將會(huì)導(dǎo)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(guò)制訂和執(zhí)行嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的工藝規(guī)程、操作規(guī)范等來(lái)實(shí)行質(zhì)量控制與保證。

(1)我國(guó)有關(guān)鐵路軸箱軸承的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2591—2007《鐵路機(jī)車滾動(dòng)軸承訂貨技術(shù)條件》和TB/T 2235—2010《鐵道車輛滾動(dòng)軸承技術(shù)條件》中規(guī)定了以下主要內(nèi)容：

a.原材料及熱處理——機(jī)車軸箱軸承套圈采用電渣重熔或真空脫氣鋼GCr18Mo制造并應(yīng)進(jìn)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(yīng)進(jìn)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(shí)體保持架和玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺保持架;

d.擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)——機(jī)車和客車軸箱用圓柱滾子軸承內(nèi)圈應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)張?jiān)囼?yàn);

e.探傷和裂紋檢查——軸承套圈和滾子應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉探傷及其他方法的裂紋檢查。

通過(guò)對(duì)以上規(guī)定的技術(shù)背景進(jìn)行深入解讀，可進(jìn)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(xì)小均勻、組織致密度高、內(nèi)部和表面質(zhì)量?jī)?yōu)良等特點(diǎn)，因此壽命長(zhǎng)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(dá)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(shí)現(xiàn)其使用壽命要求。對(duì)采用GCr18Mo限制性淬透鋼制造的套圈進(jìn)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(duì)圓錐滾子或圓柱滾子的直素線進(jìn)行凸度修型，采用圓弧全凸修型，特別是采用對(duì)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(yīng)力集中現(xiàn)象，使應(yīng)力沿滾子有效接觸長(zhǎng)度分布均勻，避免出現(xiàn)早期疲勞剝落破壞。

c.內(nèi)圈進(jìn)行擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)——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(guò)盈配合，以免產(chǎn)生松動(dòng)、蠕動(dòng)、摩擦發(fā)熱和摩擦銹蝕等現(xiàn)象。為了防止內(nèi)圈安裝時(shí)由于處于擴(kuò)張狀態(tài)下拉應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋或斷裂破壞，應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)張量大于數(shù)倍(如3.5倍)過(guò)盈量的擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)。擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)后的內(nèi)圈進(jìn)行磁粉探傷檢查不應(yīng)有裂紋。

(2)在全球公認(rèn)的鐵路軸箱軸承權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)——?dú)W洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12080：2007《鐵路應(yīng)用 軸箱 滾動(dòng)軸承》中也有相應(yīng)的規(guī)定，如：

a.套圈和滾動(dòng)體所用鋼材按照EN ISO 683—17《球和滾子軸承鋼》的評(píng)級(jí)進(jìn)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(yīng)進(jìn)行擴(kuò)張?jiān)囼?yàn)；

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(dòng)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(duì)于列車運(yùn)行速度超過(guò)200 km/h的軸承，應(yīng)采用最高質(zhì)量級(jí)別“1級(jí)”(Class 1)的要求；低于200 km/h的軸承，可采用“2級(jí)”(Class 2)的要求。

通過(guò)上述的主要措施及相關(guān)要求，將易導(dǎo)致軸箱軸承早期失效和正常失效的各種機(jī)理性原因(如裂紋、斷裂及疲勞等)都在制造過(guò)程中進(jìn)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(yàn)

保證產(chǎn)品可靠性的另一個(gè)重要思路是通過(guò)試驗(yàn)(包括常規(guī)試驗(yàn)、強(qiáng)化試驗(yàn)及模擬試驗(yàn)等)予以驗(yàn)證、分析及改進(jìn)提高。

對(duì)于軸箱軸承設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)BS EN 12082：1998《鐵路應(yīng)用 軸箱 性能試驗(yàn)》的規(guī)定進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)。

(1)臺(tái)架試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)為性能試驗(yàn)。性能試驗(yàn)前需先進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，目的是觀察軸承的熱反應(yīng)并促使油脂重新分布。預(yù)備試驗(yàn)包括4個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)由2個(gè)基本行程組成，一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橐粋€(gè)行程，轉(zhuǎn)速分別為名義轉(zhuǎn)速的20%，50%，75%和100%。每個(gè)行程由啟動(dòng)、恒速、減速和停止4個(gè)階段組成，僅施加徑向載荷。

性能試驗(yàn)是在名義轉(zhuǎn)速下重復(fù)同樣的循環(huán)，直到規(guī)定的累積行程。每個(gè)循環(huán)由2個(gè)基本行程組成，一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橐粋€(gè)行程。2個(gè)行程中有一個(gè)短暫的停止，每個(gè)行程都由啟動(dòng)、恒定的最大轉(zhuǎn)速(110%名義轉(zhuǎn)速)、減速和停止4個(gè)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(yùn)行試驗(yàn)。運(yùn)行試驗(yàn)為耐久性試驗(yàn)，按照列車運(yùn)行速度確定累積行程或時(shí)間：列車運(yùn)行速度不超過(guò)200 km/h，至少 60萬(wàn)千米或2年；列車運(yùn)行速度超過(guò)200 km/h，至少100萬(wàn)千米。

4 可靠性應(yīng)用

軸箱軸承應(yīng)用可靠性主要通過(guò)監(jiān)測(cè)、檢修和更換予以維護(hù)。

(1)監(jiān)測(cè)。軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)一直是鐵路安全監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容。在列車運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)車載軸溫報(bào)警器、地面紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)及軸承早期故障診斷裝置等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸箱及軸承的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)失效前兆信號(hào)并進(jìn)行安全處置。

(2)檢修和更換。列車的維修制度(簡(jiǎn)稱修制)非常嚴(yán)格，一般分為日常檢修、定期檢修、轉(zhuǎn)向架檢修和大修4級(jí)，檢修模式由過(guò)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(jìn)的檢修方式。對(duì)于高速動(dòng)車組實(shí)行的修制則更為嚴(yán)格，如我國(guó)CRH系列動(dòng)車組分為5級(jí)修程[3]，其中1，2級(jí)為運(yùn)用檢修，3，4，5級(jí)為定期檢修，規(guī)定的檢修周期見表2。對(duì)于要求高可靠性的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所預(yù)期的可靠性要求。

表2 CRH系列動(dòng)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(shí)行嚴(yán)格的壽命管理。以安全性要求最高的客運(yùn)為例，客車和高速動(dòng)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(dòng)車組軸箱軸承的壽命管理規(guī)定

壽命管理建立在科學(xué)性的基礎(chǔ)上。長(zhǎng)期而大量的實(shí)際應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)嚴(yán)格質(zhì)保期要求，同時(shí)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(gè)周期后經(jīng)檢查沒有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的軸承，已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，可再使用1或2個(gè)及以上周期，然后在疲勞老化階段前強(qiáng)制報(bào)廢，此時(shí)失效率最低。相反，若在使用1個(gè)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(fēng)險(xiǎn)。

圖1 軸箱軸承失效的浴盆曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，同時(shí)也是經(jīng)制造、試驗(yàn)、應(yīng)用及維修等實(shí)現(xiàn)出來(lái)的。鐵路軸箱軸承技術(shù)狀態(tài)直接關(guān)系到列車的運(yùn)行品質(zhì)、速度和安全性，必須在各個(gè)環(huán)節(jié)給予充分重視和保障，才能以其長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)的高可靠性實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸?shù)母甙踩浴?/p>

鐵路軸箱軸承盡管是列車運(yùn)行系統(tǒng)的關(guān)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(duì)其設(shè)計(jì)的固有可靠性可不必過(guò)高追求，而應(yīng)在制造中嚴(yán)格進(jìn)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(zhǎng)期的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累與規(guī)律總結(jié)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)檢修，特別是設(shè)定嚴(yán)格的壽命管理進(jìn)行強(qiáng)制報(bào)廢與更換，控制或避免由于軸承嚴(yán)重失效導(dǎo)致行車危險(xiǎn)事故，特別是重大財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害事故的發(fā)生，這才是實(shí)現(xiàn)保證列車運(yùn)行安全性的最關(guān)鍵措施。