咼如兵，許濤濤，劉煥偉，李俊強(qiáng)，楊冰

(1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；3.上海人本集團(tuán)軸承技術(shù)研發(fā)有限公司，上海 201411)

齒輪箱軸承是城軌車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件，其安全可靠運(yùn)行是城軌車輛安全運(yùn)行的保證?；诔擒壾囕v齒輪箱軸承的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)分析了齒輪箱軸承國(guó)產(chǎn)化的可行性和發(fā)展方向。

1 城軌車輛齒輪箱軸承應(yīng)用現(xiàn)狀

城市軌道交通發(fā)展水平是衡量一個(gè)城市發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。截至2021年9月，我國(guó)城軌交通運(yùn)營(yíng)城市達(dá)49個(gè)，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)8 553 km，城軌交通車輛保有量近50 000輛，城軌車輛齒輪箱軸承全部依賴進(jìn)口，包括SKF,NSK,Schaeffler,TIMKEN[1-2]。進(jìn)口軸承的長(zhǎng)期壟斷嚴(yán)重影響我國(guó)軸承行業(yè)的發(fā)展，高昂的軸承價(jià)格也增加了車輛的整體運(yùn)行成本。

改革開(kāi)放40余年來(lái)，我國(guó)軸承行業(yè)秉持引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的發(fā)展方向，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)軸承在貨車和普速列車的使用占比逐年提高。城市軌道車輛對(duì)于齒輪箱軸承可靠度要求極高，軸承的檢修周期最高達(dá)160×104km。隨著城軌交通運(yùn)營(yíng)里程的增加，車輛檢修成本逐年提升，進(jìn)口城軌車輛齒輪箱軸承價(jià)格高昂且供貨周期不能保證，國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。

2 城軌車輛齒輪箱軸承國(guó)產(chǎn)化技術(shù)

城軌車輛齒輪箱軸承具有轉(zhuǎn)速高，承載能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，可靠性高，振動(dòng)噪聲小，摩擦力矩低，耐極端工況能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，其國(guó)產(chǎn)化對(duì)軸承企業(yè)提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。城軌車輛齒輪箱通常為一級(jí)傳動(dòng)，軸承包括輸入軸軸承和輸出軸軸承，常見(jiàn)的配置形式如圖1所示。常用的齒輪箱軸承包括圓柱滾子軸承、四點(diǎn)接觸球軸承和圓錐滾子軸承，如圖2所示。

圖1 城軌車輛齒輪箱常見(jiàn)配置形式

圖2 城軌車輛齒輪箱常用軸承

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提升軸承可靠性，城軌車輛齒輪箱軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和局部?jī)?yōu)化。

國(guó)外城軌車輛齒輪箱運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)軸承保持架斷裂，如圖3所示，分析原因?yàn)辇X輪箱軸承承受軌道的沖擊載荷和齒輪的嚙合載荷，輪軌沖擊過(guò)大。通過(guò)增加保持架板厚、梁寬、壓坡深度，采用一體式保持架和高強(qiáng)度保持架材料等措施，可提高保持架抗沖擊能力。

圖3 齒輪箱軸承保持架斷裂示意圖

對(duì)于圓柱滾子軸承：通過(guò)優(yōu)化滾子基面與套圈擋邊的接觸狀態(tài)(圖4)，可改善滾子基面與擋邊的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低滑動(dòng)摩擦及溫升，提高軸承承載能力和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

圖4 圓柱滾子軸承外圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于四點(diǎn)接觸球軸承：優(yōu)化溝道密合度和溝邊角，可降低高速工況下軸承的溫升和振動(dòng)；對(duì)保持架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)可以改善軸承潤(rùn)滑條件，降低軸承噪聲。

對(duì)于圓錐滾子軸承：優(yōu)化內(nèi)圈擋邊及滾子基面結(jié)構(gòu)，可改善軸承潤(rùn)滑條件，降低滑動(dòng)摩擦及溫升；滾子采用對(duì)數(shù)修形(圖5)，可有效減少軸承接觸區(qū)應(yīng)力集中，提高可靠性,還可以提高滑滾比，有利于提高軸承極限轉(zhuǎn)速；軸承內(nèi)外圈滾道采用超精研加工技術(shù)，可去除滾道凸起尖峰，降低滾子與滾道的滾動(dòng)摩擦和溫升。

圖5 圓錐滾子凸度優(yōu)化設(shè)計(jì)

軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)后，額定工況下齒輪箱輸入和輸出軸軸承理論計(jì)算壽命均超過(guò)250×104km，部分軸承理論計(jì)算壽命超過(guò)1 000×104km，滿足了城軌車輛齒輪箱軸承的設(shè)計(jì)要求。

2.2 材料

城軌車輛齒輪箱軸承套圈常用材料為GCr15軸承鋼，滾子常用材料為G20CrNi2MoA滲碳鋼，冶煉方式主要為電渣重熔和真空脫氣。日系軸承鋼采用真空脫氣冶煉工藝，歐系軸承鋼采用電渣重熔和真空脫氣冶煉工藝。隨國(guó)內(nèi)特種鋼冶煉水平的提升，通過(guò)潔凈鋼冶煉、連鑄保護(hù)渣、惰性氣體保護(hù)氣氛電渣冶煉、大規(guī)格電渣錠冶煉技術(shù)，與國(guó)外同型號(hào)產(chǎn)品的差距逐步減少。國(guó)內(nèi)外軸承鋼成分控制指標(biāo)見(jiàn)表1，部分指標(biāo)已優(yōu)于進(jìn)口軸承鋼。

表1 國(guó)內(nèi)外軸承鋼材料成分控制指標(biāo)

部分鋼企的真空脫氣高碳鋼和電渣重熔滲碳鋼的接觸疲勞壽命已達(dá)4.9×107次和2.5×107次，達(dá)到進(jìn)口軸承鋼水平。同時(shí)通過(guò)控制氣體元素(O，H)、微觀夾雜物、碳化物等關(guān)鍵指標(biāo)，增加夾雜物定量分析、金屬原位分析、碳化物定量分析等全面檢測(cè)純凈度和均質(zhì)性，國(guó)內(nèi)高品質(zhì)軸承鋼已達(dá)到特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼水平，可以應(yīng)用于城軌交通產(chǎn)品。

城軌車輛齒輪箱軸承保持架材料差異較大，國(guó)外軸承企業(yè)考慮到工藝和成本，輸入軸軸承保持架材料多為ZCuZn40Pb2黃銅，屈服強(qiáng)度大于120 MPa，國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)開(kāi)發(fā)了ZCuAl10Fe3Mn2鋁青銅，屈服強(qiáng)度高于200 MPa。國(guó)外輸出軸軸承保持架材料多為08Al沖壓鋼，屈服強(qiáng)度大于200 MPa，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了S355MC高強(qiáng)度沖壓鋼，屈服強(qiáng)度大于355 MPa，部分采用QSTE380TM沖壓鋼，屈服強(qiáng)度大于380 MPa。

2.3 加工設(shè)備

軸承制造工藝主要包括套圈鍛造、車加工、熱處理、粗磨、精磨、探傷和裝配等[5]。熱處理、套圈磨加工、滾道超精研加工和滾動(dòng)體加工是軸承生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序。目前部分軸承企業(yè)的關(guān)鍵工序加工設(shè)備全部采用國(guó)際先進(jìn)設(shè)備，例如：熱處理使用愛(ài)協(xié)林轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)滲碳、碳氮共滲以及貝氏體等溫淬火等；套圈磨加工使用TOYO或NOVA磨床，內(nèi)外圓圓度加工精度可達(dá)3 μm，內(nèi)外圈滾道表面粗糙度Ra值最高可達(dá)0.08 μm；滾子超精研加工采用MIKROSA機(jī)床，圓度可達(dá)0.4 μm，表面粗糙度Ra值最高可達(dá)0.06 μm。

2.4 質(zhì)量管理體系

隨著鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，軸承企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)與日俱增。鐵路客戶對(duì)軸承供應(yīng)商要求更加嚴(yán)格，包括綜合競(jìng)爭(zhēng)能力、可靠的車輛運(yùn)輸方案和設(shè)施以及運(yùn)營(yíng)設(shè)備[6-7]。為適應(yīng)鐵路裝備的可靠性要求，2006年歐洲鐵路工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出國(guó)際鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱IRIS 標(biāo)準(zhǔn))，得到了全球部分鐵路企業(yè)的認(rèn)可。

目前軌道交通裝備企業(yè)廣泛采用ISO/TS 22163：2017“Rail Transit Industry Quality Management System”管理體系，該體系是基于IRIS 鐵路行業(yè)的質(zhì)量管理體系發(fā)展起來(lái)的，主要關(guān)注點(diǎn)是如何有效降低選擇供應(yīng)商的風(fēng)險(xiǎn)和提高整個(gè)鐵路行業(yè)的運(yùn)行效率。

國(guó)內(nèi)通過(guò)ISO/TS 22163 管理體系認(rèn)證的軸承企業(yè)包括瓦軸、洛軸、上海聯(lián)合滾動(dòng)和天馬等，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鐵路貨車、鐵路客車、大功率機(jī)車和城軌車輛。

通過(guò)完善的質(zhì)量管理體系，軸承質(zhì)量原因?qū)е碌臒彷S故障率大幅降低，已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。以瓦軸為例，在軸承生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)可視化管理，設(shè)備點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)文件、檢測(cè)儀器開(kāi)工校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)指導(dǎo)書可視化，可操作性強(qiáng)。所有軸承產(chǎn)品推行批次管理，內(nèi)外圈標(biāo)注批次標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可追溯。裝配過(guò)程中對(duì)每套軸承單獨(dú)編碼，裝配過(guò)程數(shù)據(jù)全部錄入系統(tǒng)，記錄所有成品軸承檢測(cè)結(jié)果、零件的批次號(hào)和供應(yīng)商等信息，每套軸承的加工信息全程可追溯。推行關(guān)鍵工序影像監(jiān)控管理，確保關(guān)鍵工序員工操作行為符合規(guī)范要求。制定《完善自控、互控、專控機(jī)制實(shí)施方案》，確保生產(chǎn)過(guò)程的自控(操作者自檢)、互控(下工序?qū)ι瞎ば虻尿?yàn)收)、專控(檢查員巡檢)。建立質(zhì)量管控信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息可追溯查詢，從原材料入廠驗(yàn)收到產(chǎn)品出廠全過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、上傳和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、信息化管理。

2.5 試驗(yàn)體系

齒輪箱軸承裝車前需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)驗(yàn)證，包括軸承臺(tái)架試驗(yàn)和齒輪箱臺(tái)架試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有城軌車輛齒輪箱軸承臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，戚墅堰所根據(jù)城軌車輛齒輪箱運(yùn)行特點(diǎn)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)制定了城軌車輛齒輪箱軸承臺(tái)架試驗(yàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。輸入軸圓柱滾子軸承和四點(diǎn)接觸球軸承參考TB/T 3017.2—2016《機(jī)車車輛軸承臺(tái)架試驗(yàn)方法第2部分：牽引電機(jī)軸承》和TB/T 3017.3—2016《機(jī)車車輛軸承臺(tái)架試驗(yàn)方法第3部分：抱軸箱滾動(dòng)軸承》，輸出軸圓錐滾子軸承參考TB/T 3017.1—2016《機(jī)車車輛軸承臺(tái)架試驗(yàn)方法第1部分：軸箱滾動(dòng)軸承》和TB/T 3017.3。軸承試驗(yàn)機(jī)原理如圖6所示。

圖6 滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)示意圖

軸承臺(tái)架試驗(yàn)是驗(yàn)證軸承運(yùn)行性能和承載能力的直接方式，主要考核軸承熱性能和耐久性能，驗(yàn)證軸承運(yùn)行發(fā)熱、平衡性能及壽命性能。目前城軌車輛齒輪箱軸承要求完成至少60×104km耐久試驗(yàn)，部分型號(hào)要求80×104km耐久試驗(yàn)。

齒輪箱臺(tái)架試驗(yàn)通常按照主機(jī)企業(yè)與齒輪箱生產(chǎn)企業(yè)簽訂的試驗(yàn)大綱執(zhí)行，主要包括跑合試驗(yàn)、油位油量試驗(yàn)、齒輪箱傾斜試驗(yàn)、低溫啟動(dòng)試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、額定轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)、最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)、最大啟動(dòng)扭矩加載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等，驗(yàn)證軸承在多工況下的運(yùn)行性能。

3 試驗(yàn)對(duì)比分析

為對(duì)比國(guó)產(chǎn)軸承和進(jìn)口軸承性能的差異，分別將國(guó)產(chǎn)軸承與進(jìn)口軸承安裝于某型號(hào)城軌車輛齒輪箱開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)。分別進(jìn)行低溫啟動(dòng)試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)和高溫試驗(yàn)，工況參數(shù)見(jiàn)表2。齒輪箱臺(tái)架試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)軸承溫度，分別測(cè)量輸入軸車輪側(cè)(PW)、輸入軸電動(dòng)機(jī)側(cè)(PM)、輸出軸車輪側(cè)(GW)、輸出軸電動(dòng)機(jī)側(cè)(GM)和潤(rùn)滑油(OIL)的溫度，測(cè)點(diǎn)如圖7所示。每組試驗(yàn)中國(guó)產(chǎn)軸承和進(jìn)口軸承分別取4套，測(cè)量正、反轉(zhuǎn)工況下各測(cè)點(diǎn)最高溫度，取平均值，結(jié)果見(jiàn)表3—表6。

表2 齒輪箱臺(tái)架試驗(yàn)工況參數(shù)

圖7 齒輪箱溫度測(cè)點(diǎn)分布圖

表3 低溫啟動(dòng)試驗(yàn)軸承最高溫度

表4 疲勞試驗(yàn)軸承最高溫度

表5 最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)軸承最高溫度

表6 高溫試驗(yàn)軸承最高溫度

由表3—表6可知：

1)對(duì)于低溫啟動(dòng)試驗(yàn)，正轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低27.0，28.3，4.0，-1.0，2.7 ℃，反轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL測(cè)點(diǎn)平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低23.0,23.9,2.5,7.4,1.7 ℃；

2)對(duì)于疲勞試驗(yàn)，正轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低3.8，3.7，5.9，8.3，8.2 ℃，反轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL測(cè)點(diǎn)平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低4.6，3.6，6.8，7.9，10.5 ℃；

3)對(duì)于最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)，正轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低2.3，-0.4，3.5，4.7，6.0 ℃，反轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低1.3，-1.3，1.6，2.9，5.5 ℃；

4)對(duì)于高溫試驗(yàn)，正、反轉(zhuǎn)工況下國(guó)產(chǎn)軸承測(cè)點(diǎn)PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進(jìn)口軸承低10.5，12.1，13.5，11.9，11.3 ℃；

5)4種試驗(yàn)中國(guó)產(chǎn)軸承大部分測(cè)點(diǎn)溫度低于進(jìn)口軸承。

目前城軌列車齒輪箱軸承的更換周期約為120×104km，近期計(jì)劃將更換周期延長(zhǎng)至160×104km，為考核國(guó)產(chǎn)軸承耐久性，對(duì)齒輪箱軸承進(jìn)行了240×104km耐久試驗(yàn)，以輸出端軸承為例，軸承耐久試驗(yàn)加載參數(shù)見(jiàn)表7，試驗(yàn)臺(tái)具備溫度及振動(dòng)報(bào)警功能，實(shí)時(shí)記錄2套試驗(yàn)軸承的溫升。

表7 軸承耐久試驗(yàn)加載參數(shù)

耐久試驗(yàn)每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)測(cè)得軸承溫度均被實(shí)時(shí)記錄，由于試驗(yàn)里程過(guò)長(zhǎng)，只展示部分運(yùn)行區(qū)段的最高有效溫度和最高溫升，如圖8所示：1#，2#軸承的最高有效溫度分別為69.5，70.9 ℃，1#，2#軸承的最高溫升分別為49.5，50.9 ℃。由于進(jìn)口軸承未開(kāi)展耐久試驗(yàn)，無(wú)法對(duì)比，但從國(guó)產(chǎn)軸承耐久試驗(yàn)溫度可以看出國(guó)產(chǎn)軸承最高溫度正常，試驗(yàn)過(guò)程中溫度無(wú)異常波動(dòng)。

圖8 耐久試驗(yàn)輸出端軸承溫度

拆解耐久試驗(yàn)后的軸承，如圖9所示，整體外觀正常，各零件未發(fā)現(xiàn)明顯異常，旋轉(zhuǎn)靈活。試驗(yàn)后的潤(rùn)滑油分析未發(fā)現(xiàn)Fe元素超標(biāo)。

圖9 耐久試驗(yàn)后輸出端軸承拆解圖

綜上試驗(yàn)分析可知：國(guó)產(chǎn)軸承性能可滿足城軌車輛齒輪箱軸承的設(shè)計(jì)要求。

4 發(fā)展趨勢(shì)

軌道車輛對(duì)于安全性要求極高，國(guó)產(chǎn)、高精度軸承大批量制造能力和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力與國(guó)際一流企業(yè)還存在一定差距，國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)還需重點(diǎn)開(kāi)展以下研究：

1)提高軸承設(shè)計(jì)和仿真分析能力，進(jìn)一步加強(qiáng)人才培養(yǎng)和技術(shù)積淀。

2)開(kāi)展城軌車輛齒輪箱軸承的大批量應(yīng)用技術(shù)研究，保證軸承鋼原材料品質(zhì)和高精度軸承的批量一致性。

3)持續(xù)開(kāi)展大批量的軸承臺(tái)架試驗(yàn)、齒輪箱臺(tái)架試驗(yàn)和裝車考核試驗(yàn)，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

通過(guò)不斷的技術(shù)積累及試驗(yàn)研究，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)我國(guó)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)工況，最終提出適合國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)條件的軸承技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)城軌車輛齒輪箱軸承的國(guó)產(chǎn)化提供技術(shù)支持。