趙 雷，劉青山，張世強(qiáng)，范新光，魏文波，姜 英

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

滾動軸承是機(jī)械中的基礎(chǔ)元件，對產(chǎn)品性能、精度、壽命和可靠性有重要影響；軸承質(zhì)量主要指原材料及熱處理質(zhì)量、軸承零部件及成品精度、軸承性能、壽命和可靠性等[1]。一般情況下，通過軸承壽命可靠性試驗(yàn)對軸承的綜合質(zhì)量進(jìn)行評估，但由于軌道交通行業(yè)所裝用的滾動軸承尺寸較大、運(yùn)用環(huán)境復(fù)雜，若用此方法試驗(yàn)存在試驗(yàn)周期長和樣品數(shù)量多的問題，因而鐵路軸承常采用軸承性能試驗(yàn)方法來反映軸承結(jié)構(gòu)是否合理、零部件質(zhì)量是否可靠。

EN 12082《鐵路應(yīng)用 軸箱 性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)是為了提高軌道交通行業(yè)中軸承的應(yīng)用可靠性、使用壽命和安全性而制定的標(biāo)準(zhǔn)化性能試驗(yàn)方法。隨著軌道交通的發(fā)展，EN 12082標(biāo)準(zhǔn)也不斷地修訂，及時(shí)跟蹤標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容變化，有助于更好地解讀、理解試驗(yàn)方法，以便做好軸承的改進(jìn)。本文從試驗(yàn)范圍、試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)過程、試驗(yàn)結(jié)果判定和試驗(yàn)替代方面對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容變化進(jìn)行了分析，探討標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行過程中存在的一些問題，為標(biāo)準(zhǔn)的使用者提供參考依據(jù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容變化

EN 12082：2017[2]是在EN 12082：2007+A1：2010版本基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，于2017年6月19日獲批，2018年2月實(shí)施。2019年2月，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會又對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了部分條款的修訂。該標(biāo)準(zhǔn)分為臺架試驗(yàn)和線路試驗(yàn)，與EN 12080和EN 12081標(biāo)準(zhǔn)形成的標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋了軸承、密封、潤滑脂和軸箱的性能驗(yàn)證。

1.1 試驗(yàn)范圍

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，各種特殊車輛越來越普遍。在外置軸承車輛適用的情況下，明確了新版本標(biāo)準(zhǔn)也適用于內(nèi)置軸承、獨(dú)立輪對軸承等其他配置軸承的車輛。同時(shí)，新版本標(biāo)準(zhǔn)增加了干線或其他鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行車輛的試驗(yàn)參數(shù)、性能要求以及示例說明。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

1.2.1 軸承游隙

軸承游隙主要影響軸承使用壽命，若游隙過大，則單個(gè)滾動體所受載荷增大，軸承旋轉(zhuǎn)精度降低，壽命縮短；若軸承游隙過小，則軸承摩擦力增大，磨損加劇，溫度升高，壽命也縮短[3]。因此，軸承游隙對試驗(yàn)軸承的性能有重要的影響。

針對試驗(yàn)軸承游隙，新版本標(biāo)準(zhǔn)修改了軸承壓裝后游隙的要求，即先根據(jù)軸承自由游隙、軸頸尺寸、軸承內(nèi)徑尺寸、內(nèi)外滾道接觸角度和內(nèi)外滾道的平均直徑計(jì)算軸承理論壓裝游隙，再實(shí)測軸承壓裝游隙，以保證2套軸承壓裝游隙的差最大。這種安裝方式相對于舊版本標(biāo)準(zhǔn)中“一套盡可能靠近最大游隙，另一套盡可能靠近最小游隙”的要求，更接近于實(shí)際，并且更容易操作。

1.2.2 試驗(yàn)速度

軸承轉(zhuǎn)速主要受軸承內(nèi)部摩擦發(fā)熱引起的溫升的限制。為了考查軸承性能，試驗(yàn)采用車輛最高運(yùn)營速度的1.1倍進(jìn)行試驗(yàn)。在計(jì)算試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速時(shí)，新版本標(biāo)準(zhǔn)將車輪直徑參數(shù)由磨耗輪直徑修改為半磨耗輪直徑，試驗(yàn)速度相對降低，對軸承臺架試驗(yàn)結(jié)果也存在一定影響。

1.2.3 車輛質(zhì)量

試驗(yàn)徑向力和軸向力計(jì)算公式涉及到的車輛質(zhì)量和輪對質(zhì)量，新版本標(biāo)準(zhǔn)明確車輛質(zhì)量為EN 15663：2017《鐵路應(yīng)用設(shè)施 車輛基準(zhǔn)質(zhì)量定義》[4]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)計(jì)質(zhì)量；輪對質(zhì)量包含輪對和兩車輪滾動圓之間的附加質(zhì)量，如制動盤質(zhì)量、齒輪質(zhì)量等。相對于舊版本標(biāo)準(zhǔn)“由供應(yīng)商和使用者協(xié)商確定”的要求，軸承臺架試驗(yàn)載荷的計(jì)算更加明確。

1.2.4 試驗(yàn)循環(huán)

新版本標(biāo)準(zhǔn)對循環(huán)周期重新作了規(guī)定，即車輛速度>200 km/h時(shí)，客車試驗(yàn)循環(huán)為4 h；車輛速度≤200 km/h時(shí)，客車試驗(yàn)循環(huán)為4 h、城軌車輛試驗(yàn)循環(huán)為2 h、貨車試驗(yàn)循環(huán)為8 h。每個(gè)循環(huán)分為正反2個(gè)基本行程，每個(gè)基本行程時(shí)間見表1所示。

表1 每個(gè)基本行程時(shí)間

從表1來看，速度≤200 km/h的客車軸承縮短了基本行程時(shí)間，由原來的220 min(EN 12082：2007 表A.1中規(guī)定)改為100 min；客車軸承軸向力為0時(shí)的保持時(shí)間由原0～5 s(EN 12082：2007 表A.1中規(guī)定)改為0～10 s，其具體值將根據(jù)運(yùn)用線路雙方協(xié)商，這點(diǎn)與車輛運(yùn)行實(shí)際情況更相符。

1.2.5 試驗(yàn)溫度

軸承試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)測量軸承承載區(qū)和目標(biāo)區(qū)的溫度，并以相對于20 ℃的環(huán)境溫度來表示其測量有效溫度。新版本標(biāo)準(zhǔn)考慮了溫度傳遞過程中的對流損耗，將測量有效溫度Tz20的表達(dá)式由公式(1)變?yōu)楣?2)。

Tz20=Tzm-(Ta-20)

(1)

Tz20=Tzm-0.6×(Ta-20)

(2)

式中：Tzm——測量溫度；

Ta——環(huán)境溫度。

新版本標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)增加了試驗(yàn)環(huán)境溫度要求，即試驗(yàn)環(huán)境溫度應(yīng)在10～40 ℃。

針對此要求，目前國內(nèi)軸承試驗(yàn)室的環(huán)境溫度基本可以控制在(20±5) ℃，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；相對于舊標(biāo)準(zhǔn)，修改后的有效溫度變化僅為-2～2 ℃，這對溫度判定影響很小。

1.2.6 試驗(yàn)里程

新版本標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分了車輛速度與試驗(yàn)里程的關(guān)系，具體為：車輛速度≤100 km/h時(shí)，試驗(yàn)里程為40萬km；100 km/h<車輛速度≤200 km/h時(shí)，試驗(yàn)里程為60萬km；車輛速度>200 km/h時(shí)，試驗(yàn)里程為80萬km。同時(shí)規(guī)定如果車輛涵蓋不同的速度線路，需按最高速度對應(yīng)試驗(yàn)里程進(jìn)行試驗(yàn)。此要求使軸承試驗(yàn)既能滿足低速貨車和城軌車輛的使用要求，又能縮短試驗(yàn)周期，提高效率，更能體現(xiàn)出試驗(yàn)要求的遞進(jìn)與嚴(yán)格。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 預(yù)試驗(yàn)

預(yù)試驗(yàn)是正式試驗(yàn)前的試驗(yàn)，目的是觀察軸承的結(jié)構(gòu)匹配性、軸承磨合期的熱性能和油脂的重新分配。新版本標(biāo)準(zhǔn)修改了預(yù)試驗(yàn)要求，不再強(qiáng)制預(yù)試驗(yàn)形式；預(yù)試驗(yàn)既可以雙方協(xié)商確定，也可以按給出的實(shí)例進(jìn)行。在實(shí)例中明確指出預(yù)試驗(yàn)為4個(gè)循環(huán)周期，試驗(yàn)臺的速度為試驗(yàn)速度的25%、50%、75%和100%，軸向力為名義軸向力的25%、50%、75%和100%，徑向力一直作用；每個(gè)循環(huán)周期由2個(gè)基本行程組成，一個(gè)正轉(zhuǎn)一個(gè)反轉(zhuǎn)。

對于預(yù)試驗(yàn)結(jié)束的判斷，新版本標(biāo)準(zhǔn)將舊版本中“每個(gè)基本行程至少2 h內(nèi)溫度變化范圍不超過5 ℃”的要求修改為“100%試驗(yàn)速度下基本行程至少2 h內(nèi)溫度變化范圍不超過5 ℃”，其他試驗(yàn)速度的跑合時(shí)間不再強(qiáng)制規(guī)定。同時(shí)規(guī)定預(yù)試驗(yàn)里程或累積時(shí)間不能超過3萬km或250 h(以先到為準(zhǔn))。

1.3.2 正式試驗(yàn)

新版本標(biāo)準(zhǔn)增加了另一種試驗(yàn)方法，即試驗(yàn)里程分為兩部分：車輛速度>200 km/h時(shí)，試驗(yàn)里程的70%按最高速度執(zhí)行，30%按其他速度執(zhí)行；100 km/h<車輛速度≤200 km/h時(shí)，試驗(yàn)里程的50%按最高速度執(zhí)行，50%按其他速度執(zhí)行；城軌車輛試驗(yàn)里程的75%按最高速度執(zhí)行，25%按其他速度執(zhí)行。這種試驗(yàn)方法涉及到載荷、速度等參數(shù)，需與客戶協(xié)商確定。

新版本標(biāo)準(zhǔn)增加了試驗(yàn)中斷的要求，即試驗(yàn)中斷時(shí)間不大于1 h時(shí)，未完成的基本行程或循環(huán)周期只累積試驗(yàn)產(chǎn)生的距離、不判定溫度；試驗(yàn)中斷時(shí)間大于1 h時(shí)，未完成的基本行程或循環(huán)周期以及恢復(fù)試驗(yàn)后的前2個(gè)基本行程，只累積試驗(yàn)產(chǎn)生的距離、不判定溫度；試驗(yàn)中斷次數(shù)不能超過總基本行程數(shù)的3%+5。由此可見，新版本標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)設(shè)備性能提出了更高的要求。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果判定

在試驗(yàn)溫度判定方面，新版本標(biāo)準(zhǔn)修改了兩軸承承載區(qū)同一時(shí)刻測量有效溫度的最大溫差、兩軸承目標(biāo)區(qū)同一時(shí)刻測量有效溫度的最大溫差、軸承正反轉(zhuǎn)測量有效溫度最大溫差的判定標(biāo)準(zhǔn)，即將“允許總基本行程數(shù)2%的溫度可超出，并在一定范圍內(nèi)”的規(guī)定，修改為“允許總基本行程數(shù)2%的溫度可超出，無上限要求”。

在試驗(yàn)后軸承外觀判定方面，新版本標(biāo)準(zhǔn)允許無觸感或接觸探針探測不到的缺陷和輕研磨掉的污漬存在；若無其他外觀問題，允許由潤滑脂中雜質(zhì)造成的輕微凹陷和劃傷；在潤滑脂中鐵或銅含量滿足要求的條件下，允許金屬保持架的變形和磨損，降低了試驗(yàn)后金屬保持架的外觀要求。總之，外觀規(guī)定更加明確，執(zhí)行起來有據(jù)可依。

在試驗(yàn)后潤滑脂成分檢測方面，新版本標(biāo)準(zhǔn)增加了潤滑脂中鐵或銅含量測定方法的規(guī)定，取消了潤滑脂錐入度、滴點(diǎn)和抗氧化性的指標(biāo)要求；滴點(diǎn)增加了IP 396：2017[5]和NF T 60-627：2006[6]中的檢測方法，水含量檢測方法由原來的ISO 3733：1999[7]修改為DIN 51777-2：1974[8]和NF T 60-637：2017中的檢測方法。

1.5 試驗(yàn)替代

為了提高軸承研發(fā)的效率，減少不必要的試驗(yàn)，新版本標(biāo)準(zhǔn)增加了已有試驗(yàn)結(jié)果可以替代的條款，即在相同用途或更差條件下進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果、經(jīng)運(yùn)用證實(shí)的成熟設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都可采納，可不再重新進(jìn)行試驗(yàn)。如果已有的試驗(yàn)結(jié)果只有臺架性能試驗(yàn)，則還需進(jìn)行線路試驗(yàn)。

已有試驗(yàn)結(jié)果可以替代軸承研發(fā)試驗(yàn)的條件如下：

(1) 兩軸承的內(nèi)徑或外徑尺寸差別小于10%、軸承注脂量差別小于20%、最高運(yùn)行速度相同；使用環(huán)境溫度的最大值或最小值差別小于20 ℃、軸承接口公差和配合量相同、軸承游隙相同。

(2) 兩軸承速度相同或研制軸承速度低于已試驗(yàn)軸承速度。

(3) 裝軸承的軸箱相似。軸箱結(jié)構(gòu)型式相同；一系減振彈簧加載位置相近；軸箱材料或材料屬性(彈性模量和熱傳導(dǎo)系數(shù))相同；在不裝配軸承的負(fù)載條件下，軸箱橢圓度變化小于10%，同時(shí)滿足以上條件時(shí)即可認(rèn)為兩軸箱相似。結(jié)構(gòu)型式相同的軸箱如圖1和圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)型式相同的轉(zhuǎn)臂軸箱

圖2 結(jié)構(gòu)型式相同的兩翼軸箱

軸箱橢圓度由軸箱有限元計(jì)算結(jié)果求出，其計(jì)算公式在新版本標(biāo)準(zhǔn)中，由公式(3)變?yōu)楣?4)，此次改變更符合橢圓度的定義。

(3)

0.9×(Dmax_r-Dmin_r)≤Dmax_n-Dmin_n
≤1.1×(Dmax_r-Dmin_r)

(4)

式中：Dmax_r、Dmin_r——現(xiàn)車所用軸箱在負(fù)載下軸箱孔最大直徑、最小直徑；

Dmax_n、Dmin_n——新研制軸承試驗(yàn)所用軸箱在負(fù)載下軸箱孔最大直徑、最小直徑。

1.6 其他試驗(yàn)

新版本標(biāo)準(zhǔn)明確了軸箱防水試驗(yàn)方法，動態(tài)試驗(yàn)不再引用UIC 515-5：1994《機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架走行部軸箱試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的方法。防水試驗(yàn)規(guī)定：試驗(yàn)速度為1.1倍車輛速度的0、10%、50%和100%，共4個(gè)試驗(yàn)速度等級，每個(gè)試驗(yàn)速度等級以3 L/min水量持續(xù)噴淋1 h；試驗(yàn)過程中，不施加軸向力和徑向力；軸承最多允許加入10 g的脂或油。

新版本標(biāo)準(zhǔn)明確線路試驗(yàn)考核應(yīng)是年運(yùn)行距離的2倍或檢修時(shí)間的2倍；對于運(yùn)行速度大于200 km/h的車輛，考核運(yùn)行距離至少為100萬km；裝車方案應(yīng)考慮動力輪對、非動力輪對及其分布，標(biāo)準(zhǔn)推薦使用20條輪對。

2 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行問題

2.1 模擬軸箱

如果試驗(yàn)不采用實(shí)際軸箱，則使用有限元方法對相同載荷下模擬軸箱和實(shí)際軸箱的橢圓度進(jìn)行比較。但新版本標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定有限元計(jì)算的載荷大小和約束位置，存在執(zhí)行問題。

經(jīng)對軸箱變形和載荷傳遞路徑分析，建議有限元計(jì)算載荷應(yīng)不低于試驗(yàn)載荷值；約束位置應(yīng)選取軸箱與軸承接觸傳遞載荷區(qū)域，即圖3中的120°圓弧區(qū)域。

圖3 有限元模型實(shí)例

2.2 軸承游隙

軸承安裝游隙受到軸承自由游隙、軸承內(nèi)圈與試驗(yàn)臺主軸軸頸配合過盈量的影響，且安裝后游隙小于自由游隙[9]。為得到更好的軸承試驗(yàn)效果，2套試驗(yàn)軸承的壓裝游隙差越大越好，對于此目標(biāo)，雖然新版本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定更貼近于實(shí)際操作，但沒有明確實(shí)施步驟。

根據(jù)軸承安裝要求，結(jié)合以往的軸承壓裝經(jīng)驗(yàn)，建議先對試驗(yàn)臺主軸的軸頸尺寸進(jìn)行測量，再利用軸承的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出理論壓裝游隙，來保證兩端的壓裝游隙差最大，最后進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證。

2.3 大橫動量軸承

為了提高2軸以上轉(zhuǎn)向架曲線通過性能，中間軸常采用大橫動量軸承[10]。雖然EN 12082新版本標(biāo)準(zhǔn)明確表示適用于所有的鐵路車輛軸承，但從試驗(yàn)效果上看，大橫動量軸承試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了潤滑脂在剪切力作用下，結(jié)構(gòu)破壞，潤滑脂軟化、稠度下降和析油量增加等問題，導(dǎo)致潤滑脂失效，最終無法正常完成試驗(yàn)。針對此類試驗(yàn)，應(yīng)結(jié)合車輛線路運(yùn)行情況，與客戶協(xié)商確定軸向力作用時(shí)間。

2.4 試驗(yàn)里程

隨著鐵路高質(zhì)量持續(xù)健康發(fā)展和提質(zhì)降本增效的要求，國內(nèi)已開始了軸承修程修制的優(yōu)化研究，提出了軸箱軸承檢修里程延長到145萬km、甚至165萬km的目標(biāo)要求。針對此要求，EN 12082新版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，影響了軸承性能試驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)際效果。

建議國內(nèi)高速軸承在研究過程中采用與檢修掛鉤的里程進(jìn)行試驗(yàn)，為后續(xù)的裝車運(yùn)行提供保障。

3 結(jié)論

軸承臺架性能試驗(yàn)是驗(yàn)證軸承質(zhì)量的重要試驗(yàn)方法，只有嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，才能驗(yàn)證軸承性能，才能為線路裝車做好保障。本文針對重要試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一的EN 12082標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了新舊2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比較分析?？傮w來講，新版本標(biāo)準(zhǔn)更接近實(shí)際運(yùn)用，可操作性更強(qiáng)。此外，對執(zhí)行過程中出現(xiàn)的有限元分析、軸承游隙和大橫動量軸承試驗(yàn)問題進(jìn)行了分析，并基于試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)提出了解決建議，可為同行提供參考和借鑒，以便更好地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。