高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸承常見(jiàn)故障及選型設(shè)計(jì)分析

師玲萍

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組 滾動(dòng)軸承 常見(jiàn)故障

1 引言

目前，我國(guó)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組列車發(fā)展日趨成熟，300KM/H 時(shí)速以及以上動(dòng)車組列車數(shù)量增多。速度提高后，軸承轉(zhuǎn)速增加，因此成熟的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架技術(shù)是動(dòng)車組列車提速的關(guān)鍵。軸承是轉(zhuǎn)向架組成的重要零部件，所選用軸承性能的好壞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架常見(jiàn)故障（熱軸、燃軸）的發(fā)生，都跟軸承有及其重要的聯(lián)系。如果不能及時(shí)對(duì)動(dòng)車組軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控及故障診斷，將會(huì)危及動(dòng)車組列車的安全運(yùn)行。另外，動(dòng)車組列車行駛速度較快，（大約200-300KM/h），車輪和鋼軌的運(yùn)行條件苛刻，各零部件的振動(dòng)加強(qiáng)。動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的每個(gè)零部件，都有者嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和性能要求。我國(guó)鐵路早期使用的是滑動(dòng)軸承，后選用滾動(dòng)軸承。軸承位于輪對(duì)和構(gòu)架之間，它的的作用是承受各種徑向力、垂向力，并且傳遞給車體。客車多選用圓柱軸承，貨車多選用圓錐軸承，因?yàn)樨涇嚦休d受力更大。跟轉(zhuǎn)向架的其他零部件相比，軸承的工作狀態(tài)比較特殊，即持續(xù)工作。（只要列車運(yùn)行，就在工作狀態(tài)）。由于自身要求良好的密封性，軸承會(huì)設(shè)有軸箱，用來(lái)保護(hù)軸承免于異物侵入。在運(yùn)行途中，需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的溫度，監(jiān)測(cè)軸承各零部件的狀態(tài)，以免在行駛途中，發(fā)生燃軸、切軸的故障。因?yàn)檩S承一旦發(fā)生問(wèn)題，將會(huì)直接影響轉(zhuǎn)向架和車輛的安全性和穩(wěn)定性。因此，改善軸承的工作性能，對(duì)軸承的故障進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，將會(huì)大大減少維修成本，提高動(dòng)車組列車的運(yùn)行安全性。本文將詳細(xì)討論高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸承的常見(jiàn)故障，對(duì)其進(jìn)行原因分析，并對(duì)動(dòng)車組軸承的選用提出建議。

2 軸承設(shè)計(jì)

接觸應(yīng)力的分布類似于輥的內(nèi)環(huán)和接觸表面的徑向位移。在均勻載荷作用下，接觸應(yīng)力集中在惰輪兩端，應(yīng)力在惰輪中部分布均勻，末端附近的應(yīng)力增加。這被稱為線性總線的“邊緣效應(yīng)”。因?yàn)樨?fù)載分布比較均勻，兩端分布的應(yīng)力較為對(duì)稱。軸承的內(nèi)圈和滾道接觸面之間的徑向位移的分布和應(yīng)力分布較相似。值得注意的是，載荷只對(duì)應(yīng)力和位移有影響，對(duì)于分布規(guī)律并沒(méi)有顯著的關(guān)聯(lián)。在梯型載荷的受力下，接觸應(yīng)力比較集中，在惰輪的兩端。如果跟受到均勻載荷的狀況相對(duì)比，滾動(dòng)體一側(cè)的應(yīng)力和位移增加較大，同時(shí)，另一側(cè)的應(yīng)力和位移則較之減少。這便是“偏心加載效應(yīng)”。結(jié)論就是載荷會(huì)影響應(yīng)力和位移，但不影響分布規(guī)則。我們?yōu)榱颂岣咻S承性能，是壽命增加，就要避免這種“邊緣效應(yīng)”，同時(shí)，滾動(dòng)狀態(tài)下的零部件容易收到電弧和對(duì)數(shù)產(chǎn)生的影響，所以，對(duì)于軸承的性能改善都是在均勻載荷下和對(duì)稱總線下的優(yōu)化。我們從分析中可以得出，當(dāng)軸承載荷不均勻分布，會(huì)發(fā)生偏心載荷，應(yīng)力分布不對(duì)稱。隨著載荷沿輥軸傾斜，兩側(cè)的應(yīng)力變化較大。因此，由于受到偏心載荷效應(yīng)的影響，對(duì)稱校正不適用于偏心載荷。通過(guò)沿著軸承軸均勻分布應(yīng)力，可以有效避免上述兩種效應(yīng)，從而根據(jù)偏心載荷使軸承壽命增加。并且，線性滾動(dòng)體下方的偏心載荷一定要以不對(duì)稱的形式滾動(dòng)，且元件是規(guī)律性分布。

3 常見(jiàn)故障

軸承的常見(jiàn)故障很多，有十余種。軸承的特有故障叫電蝕。軸承一旦發(fā)生電蝕，不得裝用。掃描電子顯微鏡和電蝕缺陷的微觀結(jié)構(gòu)分析表明，電蝕缺陷具有熔點(diǎn)形態(tài)，電蝕點(diǎn)附近的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出異常結(jié)構(gòu)，即電蝕點(diǎn)有二次淬火結(jié)構(gòu)和高溫回火結(jié)構(gòu)。在該圖中，月亮的白色層是在部分熔融區(qū)域中凝固后形成的淬火結(jié)構(gòu)，白色層下面的黑色區(qū)域是高溫回火區(qū)域。新月剛剛過(guò)熱。在淬火結(jié)構(gòu)的影響下，黑色區(qū)域的半月形狀是高溫回火結(jié)構(gòu)。電蝕缺陷是由制造和維護(hù)期間軸承部件的焊接引起的。形成焊料或點(diǎn)火點(diǎn)。當(dāng)軋件高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，焊點(diǎn)或點(diǎn)火點(diǎn)將沿著弱的高溫回火結(jié)構(gòu)撕裂并脫落，最終形成電蝕。這種電腐蝕是在焊接過(guò)程中流過(guò)軸承的電流引起的典型點(diǎn)蝕缺陷，以及在滾動(dòng)表面上的局部位置產(chǎn)生的火花和電弧。由于大量的電蝕缺陷，軸承的滾動(dòng)表面的潤(rùn)滑狀態(tài)受損，這影響軸承的正常操作并導(dǎo)致軸承的早期失效。

4 軸承選型

工作環(huán)境是軸承壽命的主要要求。影響軌道的因素很多，包括軌道的連續(xù)焊接，緊固件的混凝土材料，小體積混凝土的狀態(tài)和軌道床。不良的轉(zhuǎn)向架條件也會(huì)極大地影響軸承壽命。彈簧的損壞會(huì)對(duì)滾子接觸表面或另一個(gè)軸承造成更大的負(fù)荷，轉(zhuǎn)向架的金剛石變形也會(huì)產(chǎn)生更大的橫向力。因此，良好的轉(zhuǎn)向架維護(hù)非常重要。天氣條件也會(huì)影響軸承壽命。為此，必須使用性能和質(zhì)量良好的密封件和潤(rùn)滑劑。根據(jù)各局和部門的調(diào)查研究，根據(jù)軸承的維修能力和成本，客車轉(zhuǎn)向架是開(kāi)放式的，圓柱滾子軸承較為適合的。對(duì)于高速動(dòng)車組列車，對(duì)軸箱軸承有更高的要求。在運(yùn)行期間，由于車輪和軌道之間的滾動(dòng)接觸，軸承承受較大的橫向和靜態(tài)載荷。因此，軸承要求具有抗振動(dòng)，抗沖擊，使用壽命長(zhǎng)，體積小，重量輕，確保安全駕駛。由于履帶變換轉(zhuǎn)向架需要滿足不同的規(guī)格，當(dāng)車輪沿軸線滑動(dòng)時(shí)，軸承也需要滑動(dòng)，這導(dǎo)致軸承徑向力的相應(yīng)橫向運(yùn)動(dòng)，即軸承會(huì)產(chǎn)生一定的偏心載荷。

選擇軸承時(shí)，應(yīng)盡可能降低軸承的工作溫度，增加軸承的使用壽命，減小軸承的尺寸和重量。當(dāng)車輛以超過(guò)250km/h 的速度行駛時(shí)，圓錐滾子軸承優(yōu)于圓柱滾子軸承。由于它們的高速和高負(fù)載，圓錐滾子軸承在列車運(yùn)行期間受到軸向和徑向力，特別是在通過(guò)拐角時(shí)。由于圓錐滾子軸承受到具有一定壓力角的滾子的軸向力，因此只有約20%的軸向力受到影響，因此，圓錐滾子軸承在軸向承載能力方面具有更多優(yōu)勢(shì)。圓柱滾子軸承承受軸向載荷。軸向載荷完全由圓柱滾子軸承的滾子端面和環(huán)肋引起，滾子端與軸承之間的滑動(dòng)摩擦力上升，而磨損將是圓柱滾子軸承的軸向承載能力低于圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承具有低摩擦力矩和低摩擦溫度?？勺冃谐剔D(zhuǎn)向架的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度超過(guò)300km/ h，并且優(yōu)選使用圓錐滾子軸承。

軸承的基本尺寸是指外徑，倒角尺寸和尺寸公差。軸承旋轉(zhuǎn)精度是指內(nèi)圈，軸向跳動(dòng)和內(nèi)圈端面的徑向跳動(dòng)。內(nèi)徑的垂直度和外徑與端面的垂直度。高精度軸承使用壽命長(zhǎng)，可以提高速度限制，但制造成本相對(duì)較高。高速軸承，如SKF 和FAG 滾動(dòng)軸承，在尺寸，形狀和精度方面符合ISO 標(biāo)準(zhǔn)。它們通常分為一般等級(jí)，P6，P5，P4，SP 和UP 等級(jí)?？紤]到列車的高速運(yùn)行條件，普通高速鐵路客車的軸承精度為6 級(jí)。換向轉(zhuǎn)向架軸承的轉(zhuǎn)速不超過(guò)2400r/min，可以使用6 級(jí)精度。為了確保高速列車的安全性和軸承的質(zhì)量，軸承套圈和滾動(dòng)部件通常要求具有高硬度，強(qiáng)滾動(dòng)疲勞，耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。和其他功能。特別是，嚴(yán)格控制鋼中影響滾動(dòng)疲勞壽命的非金屬夾雜物的含量。在各種非金屬夾雜物中，硬質(zhì)氧化物往往是疲勞開(kāi)裂的起點(diǎn)，因此必須使用含有少量非金屬夾雜物的清潔鋼。軸承制造商通常使用清潔鋼來(lái)減少在爐外真空脫氣和精煉后有害氧化物和夾雜物的消耗。對(duì)于要求高可靠性的軸承，請(qǐng)使用更清潔的真空吸塵器鋼（VIM， VAR）或電渣鋼（ESR）。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)于軸承保持架材料，它們必須具有承受旋轉(zhuǎn)和徑向沖擊載荷的強(qiáng)度，并且與滾動(dòng)元件和滾動(dòng)表面具有很小的摩擦和質(zhì)量，并且可以適應(yīng)軸承的工作溫度。由于聚合物材料支架具有良好的質(zhì)量和耐腐蝕性，因此它還具有良好的抗老化性和自潤(rùn)滑性。因此，可變直徑轉(zhuǎn)向架軸承由聚合物保持器制成。