高速鐵路軸承概述

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

1 高速鐵路及市場

根據(jù)國際鐵道聯(lián)盟的定義，高速鐵路是指新建鐵路營運(yùn)速度250 km/h以上，改建鐵路營運(yùn)速度200 km/h以上的鐵路系統(tǒng)。世界上首條高鐵是日本東京至大阪之間的新干線，于1964年正式營運(yùn)，營運(yùn)速度超過200 km/h。截至目前，開行200 km/h以上高速列車的國家還有法國、德國、意大利、西班牙、比利時(shí)、荷蘭、瑞典、英國、美國和俄羅斯等國，正在積極建設(shè)或規(guī)劃建設(shè)的有瑞士、奧地利、丹麥、加拿大、澳大利亞、韓國、印度和越南等國。

我國從2004年開始引進(jìn)高鐵技術(shù)，2008年8月1日，中國第一條高鐵——京津城際鐵路通車運(yùn)營，截至2010年底，高鐵運(yùn)營里程達(dá)到8 358公里，占全世界高鐵運(yùn)營里程的三分之一以上。根據(jù)規(guī)劃，到2012年，我國將建成42條高鐵客運(yùn)專線，總里程將超過1.3萬公里，到2020年總里程將達(dá)到1.8萬公里。

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，目前全球鐵路市場(不含中國)容量為1 200億歐元/年，約合1萬億元人民幣/年，其中在高鐵中采用動(dòng)車組的比重很大(如日本現(xiàn)達(dá)87%；荷蘭、英國分別占83%和61%等)，市場空間巨大，發(fā)展前景良好。

2 我國高速鐵路動(dòng)車組概況

從2005年起至今，中國高鐵動(dòng)車組研制生產(chǎn)可分為3個(gè)平臺(tái)：第1個(gè)為時(shí)速200 km級平臺(tái)；第2個(gè)為時(shí)速300 km級平臺(tái)；第3個(gè)為時(shí)速300 km以上的平臺(tái)。前2個(gè)平臺(tái)是在引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上形成的；第3個(gè)平臺(tái)則定位為通過自主創(chuàng)新、自主設(shè)計(jì)時(shí)速350 km以及380 km的動(dòng)車組而形成。具體情況如下：

CRH1，四方機(jī)車車輛+加拿大龐巴迪+鮑爾(簡稱BSP)生產(chǎn)，200 km級別(營運(yùn)速度200 km/h，最高速度250 km/h)。

CRH2，四方機(jī)車車輛+日本川崎重工生產(chǎn)， 200 km級別(具有提升到300 km級別能力)。

CRH3，唐山軌道客車+德國西門子生產(chǎn)， 300 km級別(營運(yùn)速度330 km/h，最高速度380 km/h)。

CRH5，長春軌道客車+法國阿爾斯通生產(chǎn)， 200 km級別。

CRH380，其中CRH380A由四方機(jī)車車輛在CRH2的基礎(chǔ)上自主研制，與原型車相比，每個(gè)動(dòng)力單元的牽引功率由原來的4 800 kW增加到9 600 kW；CRH380B由長春軌道客車與唐山軌道客車在CRH3的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)和再創(chuàng)新而成，與原型車相比，CRH380B每個(gè)動(dòng)力單元的牽引功率由4 400 kW增加到4 600 kW;改進(jìn)車型CRH380C則進(jìn)一步增加到4 800 kW。CRH380的設(shè)計(jì)運(yùn)營時(shí)速為380 km。

動(dòng)車組的短編組(8輛)結(jié)構(gòu)為：CRH1和CRH5，5M3T(即5輛動(dòng)車+3輛拖車)；CRH2，CRH3和CRH380B，4M4T；CRH380A，6M2T。長編組(16輛)為兩列短編組聯(lián)掛(兩組重聯(lián))運(yùn)行(動(dòng)車型號后加字母L)，如CRH380BL為8M8T，但CRH380AL為14M2T。

目前，高鐵動(dòng)車組主要生產(chǎn)企業(yè)的年生產(chǎn)能力為：四方機(jī)車車輛，1 600輛；BSP，800輛；長春軌道客車，1 000輛；唐山軌道客車，768輛。

在現(xiàn)已建成運(yùn)營的主要高鐵線路上，所采用的主力動(dòng)車組分別為：京津城際——CRH3， CRH2；滬寧城際、武廣——CRH3，CRH2，CRH380A；鄭西——CRH2；滬杭——CRH380A；京滬——CRH380A，CRH380B。

每列動(dòng)車組的價(jià)格，目前約為2億元(西門子提供的CRH3原型車每列價(jià)格為2.5億元)，其中動(dòng)車約3 000萬元/輛。

3 我國高速鐵路軸承市場

生產(chǎn)鐵路軸承的國外著名公司主要有瑞典SKF，德國FAG，美國Timken，日本NTN，NSK和KOYO等。其中，SKF的軸箱軸承在全世界應(yīng)用最廣，如日本川崎重工出口到臺(tái)灣的高速鐵路動(dòng)車組的軸箱軸承不是采用日本軸承而是SKF軸承；FAG在齒輪箱和電動(dòng)機(jī)軸承方面占據(jù)主導(dǎo)地位；Timken的軸箱用圓錐滾子軸承具有優(yōu)勢；日本幾家公司的軸承主要用于日本國內(nèi)新干線中，如NTN可提供軸箱、齒輪箱和電動(dòng)機(jī)等全線軸承；SNR主要生產(chǎn)軸箱軸承，但于2006年1月已被NTN收購。

目前，我國高鐵動(dòng)車組軸承全部為進(jìn)口，以軸箱軸承為例，具體配套情況如下：CRH1和CRH5使用SKF軸承；CRH2使用NTN和NSK軸承；CRH3使用FAG軸承。

根據(jù)鐵道部“十二五”發(fā)展目標(biāo)，至2015年，全路投入運(yùn)營的動(dòng)車組達(dá)到1 500列以上。按每一標(biāo)準(zhǔn)列8輛編組,每一輛動(dòng)車配套8套軸箱軸承,每套軸承0.5萬元(或按更高價(jià)格1萬元)計(jì)算，共計(jì)9.6萬套軸承4.8億元(9.6億元)。而截至2010年底，保有量已約500標(biāo)準(zhǔn)列，因此“十二五”期間，總計(jì)只有3.2億元(6.4億元)的市場容量，平均每年僅0.64億元(1.28億元)。2015年后，高鐵線路及動(dòng)車組接近飽和點(diǎn)，高鐵軸承市場將主要轉(zhuǎn)向更新維修，但由于高鐵軸承的使用壽命較長，一般要求為240萬公里以上，因此維修市場的份額也不大。

4 高速鐵路軸承的主要技術(shù)數(shù)據(jù)及技術(shù)要求

4.1 軸承結(jié)構(gòu)型式與外形尺寸

我國高鐵動(dòng)車組軸箱軸承均為雙列圓錐滾子軸承，基本結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。其中，200 km級別軸承的外形尺寸為d×D×B=130 mm×230 mm×160 mm；300 km級別軸承的外形尺寸為d×D×B=130 mm×240 mm×160 mm。

圖1 高鐵動(dòng)車組用軸箱軸承

4.2 軸承材料

高鐵動(dòng)車組軸箱軸承套圈和滾子所用材料，歐洲與日本一般采用真空熔煉鋼(屬于薄弱零件的滾子則采用真空重熔鋼)，我國鐵路軸承一般規(guī)定采用電渣重熔鋼，高鐵軸承也有采用真空精煉+電渣重熔鋼的。

4.3 軸承載荷與接觸應(yīng)力

各型號動(dòng)車組的編組質(zhì)量見表1。

表1 各型號動(dòng)車組的編組質(zhì)量

以編組質(zhì)量最大的CRH5為例，以平均值估算，每套軸承載荷約為68.7 kN，最大滾動(dòng)體載荷約為7.6 kN，內(nèi)圈滾道與滾子的接觸應(yīng)力約為810 MPa。

4.4 軸承轉(zhuǎn)速

各型號動(dòng)車組的車輪直徑見表2。

表2 各型號動(dòng)車組的車輪直徑

以運(yùn)營速度最快的CRH3為例，時(shí)速為300 km時(shí)，軸承轉(zhuǎn)速約為1 730 r/min。

4.5 軸承壽命

對于最高運(yùn)營速度不大于200 km/h的軸承，質(zhì)保期為90萬公里(或4年)，經(jīng)過段修后須保證在一個(gè)段修期內(nèi)不發(fā)生檢修質(zhì)量問題，運(yùn)行里程達(dá)280萬公里或使用時(shí)間達(dá)10年必須報(bào)廢。

對于最高運(yùn)營速度大于200 km/h的軸承，120萬公里免維護(hù)，檢修后再使用至240萬公里后報(bào)廢。

日本高鐵軸承為120萬公里免維護(hù)，300萬公里或6～7年后報(bào)廢。

SKF對運(yùn)營速度不高于200 km/h的鐵路軸承，臺(tái)架試驗(yàn)必須運(yùn)轉(zhuǎn)60萬公里當(dāng)量里程，裝場試驗(yàn)必須為其年里程數(shù)的2倍或60萬公里；高于200 km/h的鐵路軸承，臺(tái)架試驗(yàn)必須運(yùn)轉(zhuǎn)80萬公里當(dāng)量里程，裝車試驗(yàn)必須達(dá)到100萬公里。

5 結(jié)束語

(1)高鐵軸承在高速、長壽命的條件下，首先要求具有高可靠性，以保證高鐵動(dòng)車組運(yùn)行的高安全性，技術(shù)質(zhì)量水平及工程經(jīng)驗(yàn)積累都十分重要，技術(shù)門檻和風(fēng)險(xiǎn)均較高。

(2)高鐵軸承市場本身容量不大，研發(fā)的技術(shù)意義，遠(yuǎn)大于市場意義、社會(huì)效益遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益。

(3)中國現(xiàn)已成為世界高鐵大國，包括軸承在內(nèi)的許多關(guān)鍵技術(shù)，必須盡快掌握和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以期占據(jù)技術(shù)制高點(diǎn)，真正具備高端市場的核心競爭力。