李秋澤，諶亮，徐建新，陳國(guó)鋒，楊廣雪

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062；2.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

2007 年以來(lái)，高速動(dòng)車組在中國(guó)得到迅猛的發(fā)展，列車運(yùn)行速度由200 km/h 提升到350 km/h，下一代高鐵及CR450 動(dòng)車組也正在研制，對(duì)動(dòng)車組各系統(tǒng)中使用的軸承提出了更高的要求。滾動(dòng)軸承主要應(yīng)用于動(dòng)車組驅(qū)(傳)動(dòng)系統(tǒng)中，按旋轉(zhuǎn)部件可分為軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電動(dòng)機(jī)軸承和各類風(fēng)機(jī)用軸承，軸承的可靠性直接影響動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的安全和秩序。目前，動(dòng)車組軸承均為進(jìn)口產(chǎn)品，采購(gòu)期長(zhǎng)且價(jià)格及維修成本高。根據(jù)國(guó)產(chǎn)化發(fā)展需要，本文介紹動(dòng)車組用軸承的型號(hào)和結(jié)構(gòu)，梳理各旋轉(zhuǎn)部件的現(xiàn)行安全監(jiān)控措施以及運(yùn)行檢修中的典型故障，綜述故障原因并提出各系統(tǒng)針對(duì)軸承故障的研究方向。

1 軸箱軸承

鐵路用軸箱軸承是軸承生產(chǎn)廠家根據(jù)鐵路公司、鐵道車輛或部件制造商對(duì)軸承安裝尺寸、載荷、轉(zhuǎn)速、維修周期和使用壽命的要求而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的專用軸承，隨著需求和制造技術(shù)的發(fā)展，軸箱軸承不斷更新迭代，形成了系列化產(chǎn)品以及專用標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)有滾動(dòng)軸承總體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12080：2017“Railway applications-Axleboxes-Rolling bearings”，潤(rùn)滑脂標(biāo)準(zhǔn)EN 12081：2017“Rail?way applications-Axleboxes-Lubricating greases”和性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) EN 12082：2017“Railway applications-Axleboxes-Performance testing”。

動(dòng)車組軸箱軸承有雙列圓柱滾子軸承和雙列圓錐滾子軸承，均為整體自密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 軸箱軸承示意圖

1.1 主型動(dòng)車組軸箱軸承基本參數(shù)

我國(guó)現(xiàn)有的和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)動(dòng)車組用軸箱軸承的基本參數(shù)見表1。

表1 主型動(dòng)車組軸箱軸承基本參數(shù)

1.2 運(yùn)行及檢修失效模式

1.2.1 運(yùn)行中的安全監(jiān)控及軸承失效模式

鑒于軸箱軸承的重要性，動(dòng)車組設(shè)置有可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸箱軸承溫度和振動(dòng)的車載監(jiān)控裝置，并與列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)連接以控制列車速度。地面檢測(cè)裝置有軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)和紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)(THDS)，報(bào)警時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的攔停。車載和地面安全監(jiān)控裝置的工作原理及應(yīng)用情況見表2，現(xiàn)有監(jiān)控裝置可保證車輛的運(yùn)營(yíng)安全。

表2 軸箱軸承安全監(jiān)控裝置

運(yùn)行中軸箱軸承的故障主要表現(xiàn)為車載監(jiān)控裝置的軸承溫度預(yù)警或報(bào)警，地面監(jiān)控裝置的振動(dòng)預(yù)警或報(bào)警，軸承故障類型[2-3]如圖2 所示，主要失效模式有疲勞剝落、保持架故障、密封故障、油脂狀態(tài)異常、軸承高溫等，其中套圈滾道疲勞剝落占56%，溫升占10%，保持架斷裂占10%，磨損占8%。

圖2 軸箱軸承故障類型統(tǒng)計(jì)圖

1.2.2 檢修中的軸承失效模式

2004年，動(dòng)車組技術(shù)引進(jìn)初期，軸箱軸承檢修周期為120×104km，使用壽命為240×104km，為降低維修成本，2019年，國(guó)鐵集團(tuán)提出了修程修制改革，和諧號(hào)軸箱軸承檢修周期為145×104km，使用壽命為290×104km；復(fù)興號(hào)軸箱軸承檢修周期為165×104km，使用壽命為330×104km。

軸箱軸承在檢修中報(bào)廢的失效模式有：銹蝕、剝落、磨損、內(nèi)徑尺寸超差、劃傷、磁粉探傷超標(biāo)、超聲波探傷超標(biāo)等，2015—2022年，長(zhǎng)客股份動(dòng)車組平臺(tái)FAG 軸承修復(fù)率95.24%，SKF 軸承修復(fù)率93.18%，其中CRH5A 型動(dòng)車組用SKF BT2-8545AD 軸承報(bào)廢因素占比見表3，銹蝕原因占比25.12%，壓痕和磕碰傷占比11.42%。

長(zhǎng)客股份CR400BF動(dòng)車組用FAG-807811.12軸承，2019 年至2022 年共計(jì)檢修2 383 套，檢修報(bào)廢165 套，報(bào)廢因素如圖3 所示，銹蝕占比43%，壓痕和磕碰傷占比33%。

圖3 FAG-807811.12軸承報(bào)廢因素占比圖

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，軸承的銹蝕、壓痕和磕碰傷占總檢修報(bào)廢的比例較大。建議關(guān)注軸箱整體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其密封件配合尺寸，在軸承拆卸后應(yīng)妥善存儲(chǔ)和運(yùn)輸。

1.3 軸箱軸承研究方向

1.3.1 軸承失效原因分析

由上述分析可知：運(yùn)行中軸承的主要失效模式為套圈滾道疲勞剝落，檢修中軸承的主要失效模式是銹蝕和壓痕。軸承套圈滾道剝落的主要影響因素是軸承鋼及其熱處理工藝[4]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的因素較小，高速、重載和沖擊促成了接觸區(qū)域表層附近裂紋的產(chǎn)生，加速軸承疲勞并最終導(dǎo)致剝落[5]。軸承銹蝕的主要影響因素是軸箱密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題或檢修后軸箱體、軸箱蓋及密封圈尺寸超差問(wèn)題，軸承壓痕的主要影響因素是軸承運(yùn)輸、組裝和拆卸不當(dāng)[6]。

軸箱軸承的失效模式還有開裂或斷裂、磨粒磨損、黏著磨損和保持架塑性變形等。不僅要研究軸承鋼及熱處理、潤(rùn)滑脂、密封、滾子凸形、保持架、振動(dòng)和溫升等因素對(duì)軸箱軸承故障的影響[3]，還需要從輪軸系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)的角度進(jìn)行分析：如文獻(xiàn)[7]研究了輪對(duì)柔性化對(duì)高鐵軸箱軸承振動(dòng)特性的影響，認(rèn)為柔性輪對(duì)的變形降低了輪軌之間的約束能力，從而導(dǎo)致軸承外圈振動(dòng)減弱；文獻(xiàn)[8]建立了隨機(jī)車輛-軌道耦合模型，用于高速列車軸箱軸承的動(dòng)態(tài)性能分析。

然而，研究軸承強(qiáng)度的有限元模型，研究軸承損傷-振動(dòng)的耦合模型以及研究軸承振動(dòng)及載荷的車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型等在建立時(shí)均進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，與軸箱軸承的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)(滾子的滾動(dòng)、滑動(dòng)及滾滑結(jié)合)存在較大差異，只能用于趨勢(shì)研究或方案對(duì)比，仍需加強(qiáng)在軸箱軸承試驗(yàn)臺(tái)和線路運(yùn)營(yíng)測(cè)試方面的研究。

1.3.2 高可靠度需求下軸承壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)

高速動(dòng)車組對(duì)軸箱軸承的可靠度要求高于95%，軸承壽命要求大于330×104km，滾子軸承的額定壽命為

式中：a1為可靠度壽命修正系數(shù)，取值見表4；aISO為壽命修正系數(shù)；C為額定動(dòng)載荷；P為當(dāng)量動(dòng)載荷。

表4 不同可靠度下的壽命修正系數(shù)值

額定動(dòng)載荷和當(dāng)量動(dòng)載荷建立在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和諸多假設(shè)的基礎(chǔ)上，滾動(dòng)軸承額定壽命理論則基于軸承壽命符合威布爾分布的基礎(chǔ)，壽命修正系數(shù)aISO除與軸承類型相關(guān)外，還與載荷、材料、潤(rùn)滑、環(huán)境、雜質(zhì)顆粒、套圈內(nèi)部應(yīng)力以及安裝等因素相關(guān)，不同廠家的aISO取值也不同。軸箱軸承的可靠度直接影響高鐵的運(yùn)營(yíng)安全，基于高可靠度需求下的軸承壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)將是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

1.3.3 振動(dòng)和溫度閾值

在軸箱軸承的服役過(guò)程中，各種故障都是一個(gè)漸變的過(guò)程，首先表現(xiàn)為軸承的異常振動(dòng)，如果未能盡早識(shí)別振動(dòng)故障，最終將演化為軸承溫度的異常升高，極端情況下可導(dǎo)致車軸的熱切故障。對(duì)軸承振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)故障萌生與演變的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，可提前發(fā)現(xiàn)失效隱患，及時(shí)采取措施，避免重大故障發(fā)生。

軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理比較成熟，難點(diǎn)是如何剔除來(lái)自線路的各種激擾振動(dòng)，確定軸承失效故障的振動(dòng)閾值。

軸承溫度判定準(zhǔn)則目前存在2個(gè)難點(diǎn)：1)軸承自身的正常溫升隨速度的增加而升高，如何確定軸承安全的極限溫度；2)從極限溫度升至造成軸承破壞溫度所需要的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)列車是否能降到較低的安全速度。

目前，在試驗(yàn)臺(tái)上還不能完全模擬實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況。軸箱軸承運(yùn)行中間或發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)熱故障[9-10]，軸承實(shí)時(shí)溫度超過(guò)溫度預(yù)警值，影響列車運(yùn)營(yíng)秩序，但軸承拆解后并未發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性故障，從軸承組裝、注脂量、注脂位置、軸承精度、跑合試驗(yàn)等多個(gè)方面進(jìn)行研究，仍未能研究清楚軸承運(yùn)轉(zhuǎn)熱的產(chǎn)生機(jī)理。

2 齒輪箱軸承

2.1 齒輪箱軸承的布置

工業(yè)用變速器種類眾多，動(dòng)車組齒輪箱屬于其中一種，基本上為一級(jí)減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但對(duì)安全可靠性的要求高。齒輪箱內(nèi)部的軸承布置形式有2 種：1)輸入端采用2 套圓柱滾子軸承+1 套球軸承，輸出端采用圓錐滾子軸承，如圖4a 所示；2)輸入端、輸出端均采用圓錐滾子軸承，如圖4b所示。

各型動(dòng)車組齒輪箱的軸承布置方式及軸承型號(hào)由車輛主制企業(yè)和齒輪箱供應(yīng)商共同確定，CRH3型動(dòng)車組齒輪箱供應(yīng)商主要有采埃孚、弗蘭德及戚墅堰所，CRH1 和CRH2 型動(dòng)車組齒輪箱供應(yīng)商有福伊特、采埃孚、東洋和戚墅堰所，CR300/400 復(fù)興號(hào)系列動(dòng)車組齒輪箱供應(yīng)商主要為戚墅堰所。主型動(dòng)車組齒輪箱供應(yīng)商使用的軸承型號(hào)見表5。

表5 主型動(dòng)車組齒輪箱軸承使用情況

2.2 運(yùn)行及檢修失效模式

2.2.1 運(yùn)行中的安全監(jiān)控

齒輪箱設(shè)置有車載溫度及振動(dòng)安全監(jiān)控裝置，溫度監(jiān)控中的報(bào)警、預(yù)警溫度閾值和邏輯比較成熟，而振動(dòng)監(jiān)控正在收集數(shù)據(jù)中，振動(dòng)報(bào)警閾值和邏輯也不成熟。

2.2.2 運(yùn)行中的失效模式

在運(yùn)行過(guò)程中，齒輪箱軸承的故障表現(xiàn)形式為溫度報(bào)警或預(yù)警，軸承失效模式主要有剝落和保持架斷裂，故障多發(fā)生在輸入端，輸出端圓錐滾子軸承的故障率則較低，這是由于輸入端軸承的轉(zhuǎn)速較高且邊界載荷更復(fù)雜。定期換油保養(yǎng)時(shí)，齒輪箱故障主要表征為潤(rùn)滑油發(fā)黑(Cu，F(xiàn)e含量超標(biāo))、乳化。

2.2.3 檢修周期及失效模式

齒輪箱原分解檢修周期為240×104km，目前，和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)動(dòng)車組齒輪箱檢修周期分別延長(zhǎng)至290×104和330×104km，軸承在齒輪箱分解檢修時(shí)進(jìn)行更換。齒輪箱分解檢修時(shí)軸承退卸造成損壞，對(duì)軸承的檢修故障多為概念性描述，缺少故障軸承數(shù)據(jù)，一般以運(yùn)行故障為主。

齒輪箱軸承故障與軸承的選型、游隙以及齒輪箱的潤(rùn)滑油路設(shè)計(jì)和組裝質(zhì)量關(guān)系很大。若輸入端采用圓錐滾子軸承，需要關(guān)注游隙和潤(rùn)滑油路的設(shè)計(jì)；若采用圓柱滾子軸承+球軸承組合，則需要關(guān)注軸承的過(guò)盈量、游隙以及軸承外圈的定位；如果齒輪箱空間允許，最好采用大尺寸規(guī)格的軸承，以提高抗沖擊載荷的能力。

2.3 技術(shù)難點(diǎn)及研究方向

2.3.1 邊界載荷與壽命評(píng)估

準(zhǔn)確識(shí)別邊界載荷是解決齒輪箱軸承失效的關(guān)鍵。齒輪箱軸承運(yùn)行中的載荷工況復(fù)雜，受牽引系統(tǒng)電流以及線路不平順載荷的影響較大，按IEC 61373：2010“Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests”或EN 13749：2011“Railway applications-Wheelsets and bogies-Method of specifying the structural require?ments of bogie frames”選取載荷時(shí)安全系數(shù)偏小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)車組齒輪箱載荷按表6 選取，先按距離插值法計(jì)算軸承的振動(dòng)載荷，疊加扭矩載荷后根據(jù)ISO 281：2007“Rolling bearings-Dynamic load ratings and rating life”計(jì)算基本額定壽命L10，該值僅考慮了軸承的載荷、標(biāo)準(zhǔn)承載能力、結(jié)構(gòu)等因素，還需要考慮實(shí)際應(yīng)用中的轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑條件、清潔度、材料等因素的影響對(duì)軸承壽命進(jìn)行修正。不同軸承廠家所標(biāo)定的壽命差異較大，需積累大量關(guān)于軸承制造、材料、潤(rùn)滑和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)才能較為精準(zhǔn)地預(yù)估軸承壽命。

表6 齒輪箱軸承振動(dòng)載荷計(jì)算依據(jù)

2.3.2 齒輪箱動(dòng)力學(xué)模型

建立細(xì)化的齒輪箱模型研究軸承在外載荷變化時(shí)受力部件的接觸應(yīng)力。文獻(xiàn)[11]研究了高速列車齒輪箱軸承外滾道最大載荷位置處接觸載荷的變化，發(fā)現(xiàn)保持架或軸的模態(tài)振動(dòng)，滾子之間的徑向幾何差異以及齒輪箱殼體振動(dòng)對(duì)不同齒輪嚙合條件下的接觸載荷有不同程度的影響，最大載荷位置處接觸載荷的變化系數(shù)與軸箱處測(cè)得的局部加速度的均方根值呈線性關(guān)系。

動(dòng)車組齒輪箱軸承為工業(yè)用軸承，未針對(duì)動(dòng)車組的高可靠性需求形成軌道車輛專用軸承系列，盡管軸承理論計(jì)算壽命能滿足使用要求，但也時(shí)常發(fā)生失效，為降低百萬(wàn)公里故障率，應(yīng)該制定齒輪箱軸承的技術(shù)要求和采購(gòu)規(guī)范，要求軸承供應(yīng)商進(jìn)行專項(xiàng)研究和專線生產(chǎn)，并提高尺寸精度和旋轉(zhuǎn)精度。

3 牽引電動(dòng)機(jī)軸承

3.1 牽引電動(dòng)機(jī)軸承的布置

牽引電動(dòng)機(jī)軸承布置為雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，基本的組合方式為深溝球軸承+圓柱滾子軸承，布置方式如圖5所示。

圖5 牽引電動(dòng)機(jī)軸承典型布置

牽引電動(dòng)機(jī)軸承為絕緣軸承，目前批量產(chǎn)品均采用進(jìn)口軸承，供應(yīng)商有瑞典SKF、德國(guó)FAG、日本NTN 和NSK。主型動(dòng)車組用牽引電動(dòng)機(jī)軸承的布置方式及軸承型號(hào)見表7。

表7 主型動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)軸承使用情況

3.2 運(yùn)行及檢修失效模式

3.2.1 運(yùn)行中的安全監(jiān)控

牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)置有車載溫度監(jiān)控裝置，用于監(jiān)控軸承和定子的溫度，振動(dòng)監(jiān)控功能正在研究開發(fā)。文獻(xiàn)[12]研究了牽引電動(dòng)機(jī)球軸承的熱性能及溫度分布，揭示了軸承中各零件的傳熱機(jī)理及其溫度分布規(guī)律，分析了轉(zhuǎn)速和徑向載荷對(duì)軸承溫度的影響，軸承溫度從內(nèi)圈到外圈逐漸下降，速度對(duì)軸承溫度的影響遠(yuǎn)高于載荷。文獻(xiàn)[13]提出了基于故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)系統(tǒng)的高速鐵路牽引電動(dòng)機(jī)軸承健康狀態(tài)預(yù)測(cè)方法，在提取表征軸承健康狀態(tài)的多種特征后用深度堆疊去噪自編碼器進(jìn)行降維，通過(guò)累積計(jì)算得到相關(guān)的健康指標(biāo)。

3.2.2 運(yùn)行中的失效模式

牽引電動(dòng)機(jī)軸承在運(yùn)行過(guò)程中的故障主要表現(xiàn)為溫度過(guò)高，油脂甩出，卡滯等，經(jīng)過(guò)理化分析得到的失效模式有：1)由于滾動(dòng)接觸疲勞造成的剝落；2)由于電蝕引起的剝落。滾動(dòng)接觸疲勞導(dǎo)致軸承失效的故障較少，大多數(shù)故障都直接或間接的與電流、潤(rùn)滑有關(guān)，是電蝕導(dǎo)致的失效[14-16]。另外，電蝕主要發(fā)生在球軸承上，與其點(diǎn)接觸工況有關(guān)。

3.2.3 檢修周期及失效模式

牽引電動(dòng)機(jī)原分解檢修周期為120×104km，現(xiàn)和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)動(dòng)車組分別延長(zhǎng)至145×104和165×104km，在檢修時(shí)更換軸承。檢修中發(fā)現(xiàn)的軸承主要失效模式為點(diǎn)蝕，多在軸承外圈的內(nèi)滾道面上(圖6)。高級(jí)檢修時(shí)，統(tǒng)計(jì)CRH3 型系列動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)絕緣軸承(型號(hào)6016)的故障率約為7.2%，不同廠家軸承的故障率不同，表現(xiàn)形式也不同，SKF 軸承在電蝕初期均表現(xiàn)為搓衣板紋，故障擴(kuò)展階段為搓衣板，最終表現(xiàn)為剝落；FAG 軸承在電蝕初期少數(shù)為搓衣板紋，很快發(fā)展為剝落。

圖6 球軸承電蝕失效過(guò)程中的宏觀形貌

3.3 研究方向

3.3.1 統(tǒng)籌各系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)方案

在列車總體設(shè)計(jì)時(shí)，從列車編組情況出發(fā)，統(tǒng)籌考慮工作回流和保護(hù)回流的接地路徑，合理布置軸端接地回流的數(shù)量。牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)牽引控制系統(tǒng)，降低絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等器件的開關(guān)頻率，從而降低共模電壓的頻率，提升變頻器輸出品質(zhì)，減少高次諧波，減小共模電壓，最終減小牽引電動(dòng)機(jī)的軸電流和軸電壓。牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在空間允許的情況下盡量選取較大規(guī)格的軸承，提高抗疲勞載荷能力。例如：CRH3型動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)軸承原有型號(hào)(表7)較小，故障相對(duì)較多，在復(fù)興號(hào)動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)統(tǒng)型時(shí)采用了較大規(guī)格的深溝球軸承6311 和圓柱滾子軸承NU214，故障率明顯下降。另外，在軸承布置時(shí)，可將承受沖擊載荷能力較弱的球軸承布置在非傳動(dòng)端。

3.3.2 絕緣軸承性能研究

對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)故障軸承的材料進(jìn)行能譜分析以及材料成分、基體組織、非金屬夾雜、硬度等檢測(cè)，基本上都符合要求，主要差異在絕緣層厚度、絕緣材質(zhì)性能和噴涂質(zhì)量方面，對(duì)絕緣性能、擊穿電壓和高頻耐壓指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，厚涂層軸承的抗交流耐壓能力更強(qiáng)。絕緣軸承性能測(cè)試要求為：直流1 000 V，電阻不小于500 MΩ。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，牽引電動(dòng)機(jī)軸承承受的是高頻交流電壓，而實(shí)驗(yàn)室目前還不能給出具體的試驗(yàn)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)，這也是今后的研究方向。

4 風(fēng)機(jī)用軸承

4.1 風(fēng)機(jī)用軸承的類型

動(dòng)車組上風(fēng)機(jī)的種類和數(shù)量較多，風(fēng)機(jī)主要由風(fēng)扇和電動(dòng)機(jī)組成，應(yīng)用在牽引系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)用軸承一般為整體自密封、免維護(hù)的深溝球軸承。風(fēng)機(jī)故障將導(dǎo)致系統(tǒng)整體功能失效，例如：牽引電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)故障會(huì)導(dǎo)致牽引功率損失，空調(diào)系統(tǒng)廢排風(fēng)機(jī)燒損會(huì)導(dǎo)致煙霧報(bào)警，影響列車運(yùn)營(yíng)秩序。動(dòng)車組的風(fēng)機(jī)故障主要表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)中的軸承故障，因此其對(duì)軸承可靠性的要求很高，雖然電動(dòng)機(jī)供應(yīng)商基本上為國(guó)內(nèi)廠家，但是軸承均采用進(jìn)口產(chǎn)品，具體應(yīng)用情況見表8。

表8 動(dòng)車組各系統(tǒng)風(fēng)機(jī)用軸承的使用情況

4.2 運(yùn)行及檢修情況

4.2.1 運(yùn)用中的安全監(jiān)控

動(dòng)車組風(fēng)機(jī)中沒有相應(yīng)的車載和地面安全監(jiān)控裝置。

4.2.2 運(yùn)行故障及軸承失效模式

風(fēng)機(jī)中的電動(dòng)機(jī)為三相異步變頻電動(dòng)機(jī)，功率比較小，軸承轉(zhuǎn)速不高，如復(fù)興號(hào)動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的功率分為2 檔，即8.2，2.2 kW，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別為2 920，1 450 r/min。牽引電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生的故障有異常聲、燒損、掃鏜等；變流器冷卻風(fēng)機(jī)會(huì)發(fā)生異常聲；空調(diào)廢排風(fēng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)卡滯、燒損冒煙等故障。軸承的失效模式為套圈溝道面和球表面的剝落。

4.2.3 檢修周期及失效模式

在采購(gòu)風(fēng)機(jī)時(shí)，規(guī)定的檢修周期為240×104km(后期延長(zhǎng)至330×104km)或40 000 h，在檢修時(shí)更換軸承。風(fēng)機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇的動(dòng)平衡都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，主要故障發(fā)生在電動(dòng)機(jī)上，典型故障有：軸承端蓋軸承室尺寸變大、軸承跑外圈、波形彈簧壓力不足等，對(duì)運(yùn)行240×104km 的軸承進(jìn)行分解檢測(cè)，故障率約2%，主要問(wèn)題是整體振動(dòng)超標(biāo)、內(nèi)外圈溝道磨粒磨損、油脂干涸凝固、油脂內(nèi)雜質(zhì)含量超標(biāo)等。軸承的失效模式為磨粒磨損和黏著磨損。

4.3 軸承失效解決措施

風(fēng)機(jī)中的電機(jī)軸承均采用脂潤(rùn)滑，選擇潤(rùn)滑脂時(shí)應(yīng)綜合考慮抗氧化性能、極壓抗磨性能、高低溫性能、機(jī)械安定性以及對(duì)軸承鋼的防護(hù)性。密封性能的優(yōu)劣直接影響軸承使用壽命，根據(jù)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)優(yōu)先選用非接觸式橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，該密封圈與內(nèi)圈肩部的圓柱形表面或內(nèi)圈凹型輪廓間形成一個(gè)極窄的間隙，既可以解決摩擦生熱，又能防止油脂泄漏和灰塵進(jìn)入，如圖7 所示。另外，在空間范圍允許的情況下，盡量選取規(guī)格較大的軸承，即可提高抗疲勞載荷能力，又可以增加注脂量。

圖7 非接觸式橡膠密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)機(jī)中的電機(jī)軸承為工業(yè)用深溝球軸承，同一批次中綜合品質(zhì)也有差異，針對(duì)高鐵車輛的高可靠性要求，可采用軸承旋轉(zhuǎn)振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行篩選，還應(yīng)制定鐵路產(chǎn)品用深溝球軸承技術(shù)規(guī)范，明確規(guī)格尺寸、摩擦力矩試驗(yàn)、漏脂試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、防塵試驗(yàn)等技術(shù)要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)3 個(gè)風(fēng)機(jī)用電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果表明，軸承均采用冷壓方式，壓裝設(shè)備有立式和臥式2 種，存在軸承內(nèi)圈定位不精確，人工手動(dòng)壓裝不同心和壓裝不到位的問(wèn)題。因此，需要研究自動(dòng)壓裝檢測(cè)設(shè)備以及熱裝工藝，提高軸承生產(chǎn)效率和壓裝質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

軸承是機(jī)械裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其發(fā)展水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家在先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的綜合實(shí)力。國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組用軸承全部為進(jìn)口軸承，盡管在運(yùn)行和檢修中也存在軸承失效，但通過(guò)理化檢驗(yàn)、斷口分析發(fā)現(xiàn)軸承鋼中的雜質(zhì)含量較低，基本上排除了因材質(zhì)原因?qū)е碌妮S承故障；另外，軸承的熱處理、機(jī)加工、磨削等制造工藝穩(wěn)定，軸承的尺寸精度和旋轉(zhuǎn)精度較高，軸承產(chǎn)品質(zhì)量一致性較好。

為推動(dòng)動(dòng)車組用軸承的國(guó)產(chǎn)化，解決“卡脖子”問(wèn)題，國(guó)鐵集團(tuán)與科技部確立“高鐵軸承核心關(guān)鍵技術(shù)研究”課題，從軸承運(yùn)行邊界條件、材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承制造及檢測(cè)和軸承評(píng)估試驗(yàn)技術(shù)等方面進(jìn)行研究，國(guó)產(chǎn)軸承正有序試制、試驗(yàn)并裝車運(yùn)行考核，后續(xù)將研究軸承集成技術(shù)，融入溫度和振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承智能化。