咼如兵,許濤濤,劉煥偉,李俊強,楊冰
(1.西南交通大學(xué),成都 610031;2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011;3.上海人本集團軸承技術(shù)研發(fā)有限公司,上海 201411)
齒輪箱軸承是城軌車輛傳動系統(tǒng)的核心零部件,其安全可靠運行是城軌車輛安全運行的保證?;诔擒壾囕v齒輪箱軸承的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢,重點分析了齒輪箱軸承國產(chǎn)化的可行性和發(fā)展方向。
城市軌道交通發(fā)展水平是衡量一個城市發(fā)展水平的重要標準。截至2021年9月,我國城軌交通運營城市達49個,運營里程達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口,包括SKF,NSK,Schaeffler,TIMKEN[1-2]。進口軸承的長期壟斷嚴重影響我國軸承行業(yè)的發(fā)展,高昂的軸承價格也增加了車輛的整體運行成本。
改革開放40余年來,我國軸承行業(yè)秉持引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的發(fā)展方向,取得了長足的進步,國產(chǎn)軸承在貨車和普速列車的使用占比逐年提高。城市軌道車輛對于齒輪箱軸承可靠度要求極高,軸承的檢修周期最高達160×104km。隨著城軌交通運營里程的增加,車輛檢修成本逐年提升,進口城軌車輛齒輪箱軸承價格高昂且供貨周期不能保證,國產(chǎn)化勢在必行。
城軌車輛齒輪箱軸承具有轉(zhuǎn)速高,承載能力強,壽命長,可靠性高,振動噪聲小,摩擦力矩低,耐極端工況能力強等特點[3],其國產(chǎn)化對軸承企業(yè)提出了嚴格的技術(shù)要求。城軌車輛齒輪箱通常為一級傳動,軸承包括輸入軸軸承和輸出軸軸承,常見的配置形式如圖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配置形式
圖2 城軌車輛齒輪箱常用軸承
通過優(yōu)化設(shè)計可以提升軸承可靠性,城軌車輛齒輪箱軸承優(yōu)化設(shè)計包括結(jié)構(gòu)強化和局部優(yōu)化。
國外城軌車輛齒輪箱運行過程中多次出現(xiàn)軸承保持架斷裂,如圖3所示,分析原因為齒輪箱軸承承受軌道的沖擊載荷和齒輪的嚙合載荷,輪軌沖擊過大。通過增加保持架板厚、梁寬、壓坡深度,采用一體式保持架和高強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
對于圓柱滾子軸承:通過優(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滑狀態(tài),降低滑動摩擦及溫升,提高軸承承載能力和運轉(zhuǎn)可靠性。
圖4 圓柱滾子軸承外圈優(yōu)化設(shè)計
對于四點接觸球軸承: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;對保持架進行輕量化設(shè)計可以改善軸承潤滑條件,降低軸承噪聲。
對于圓錐滾子軸承:優(yōu)化內(nèi)圈擋邊及滾子基面結(jié)構(gòu),可改善軸承潤滑條件,降低滑動摩擦及溫升;滾子采用對數(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摩擦和溫升。
圖5 圓錐滾子凸度優(yōu)化設(shè)計
軸承優(yōu)化設(shè)計后,額定工況下齒輪箱輸入和輸出軸軸承理論計算壽命均超過250×104km,部分軸承理論計算壽命超過1 000×104km,滿足了城軌車輛齒輪箱軸承的設(shè)計要求。
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。隨國內(nèi)特種鋼冶煉水平的提升,通過潔凈鋼冶煉、連鑄保護渣、惰性氣體保護氣氛電渣冶煉、大規(guī)格電渣錠冶煉技術(shù),與國外同型號產(chǎn)品的差距逐步減少。國內(nèi)外軸承鋼成分控制指標見表1,部分指標已優(yōu)于進口軸承鋼。
表1 國內(nèi)外軸承鋼材料成分控制指標
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4.9×107次和2.5×107次,達到進口軸承鋼水平。同時通過控制氣體元素(O,H)、微觀夾雜物、碳化物等關(guān)鍵指標,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純凈度和均質(zhì)性,國內(nèi)高品質(zhì)軸承鋼已達到特級優(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,屈服強度大于120 MPa,國內(nèi)軸承企業(yè)開發(fā)了ZCuAl10Fe3Mn2鋁青銅,屈服強度高于200 MPa。國外輸出軸軸承保持架材料多為08Al沖壓鋼,屈服強度大于200 MPa,國內(nèi)開發(fā)了S355MC高強度沖壓鋼,屈服強度大于355 MPa,部分采用QSTE380TM沖壓鋼,屈服強度大于380 MPa。
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體加工是軸承生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序。目前部分軸承企業(yè)的關(guān)鍵工序加工設(shè)備全部采用國際先進設(shè)備,例如:熱處理使用愛協(xié)林轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線,可以實現(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3 μm,內(nèi)外圈滾道表面粗糙度Ra值最高可達0.08 μm;滾子超精研加工采用MIKROSA機床,圓度可達0.4 μm,表面粗糙度Ra值最高可達0.06 μm。
隨著鐵路行業(yè)的快速發(fā)展,軸承企業(yè)間競爭與日俱增。鐵路客戶對軸承供應(yīng)商要求更加嚴格,包括綜合競爭能力、可靠的車輛運輸方案和設(shè)施以及運營設(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)合會提出國際鐵路行業(yè)標準(簡稱IRIS 標準),得到了全球部分鐵路企業(yè)的認可。
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)展起來的,主要關(guān)注點是如何有效降低選擇供應(yīng)商的風(fēng)險和提高整個鐵路行業(yè)的運行效率。
國內(nèi)通過ISO/TS 22163 管理體系認證的軸承企業(yè)包括瓦軸、洛軸、上海聯(lián)合滾動和天馬等,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鐵路貨車、鐵路客車、大功率機車和城軌車輛。
通過完善的質(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,已達國際先進水平。以瓦軸為例,在軸承生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)可視化管理,設(shè)備點檢標準文件、檢測儀器開工校驗標準和作業(yè)指導(dǎo)書可視化,可操作性強。所有軸承產(chǎn)品推行批次管理,內(nèi)外圈標注批次標識,實現(xiàn)產(chǎn)品可追溯。裝配過程中對每套軸承單獨編碼,裝配過程數(shù)據(jù)全部錄入系統(tǒng),記錄所有成品軸承檢測結(jié)果、零件的批次號和供應(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、??貦C制實施方案》,確保生產(chǎn)過程的自控(操作者自檢)、互控(下工序?qū)ι瞎ば虻尿炇?、專控(檢查員巡檢)。建立質(zhì)量管控信息化平臺,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息可追溯查詢,從原材料入廠驗收到產(chǎn)品出廠全過程的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)自動采集、上傳和統(tǒng)計,實現(xiàn)了數(shù)字化、信息化管理。
齒輪箱軸承裝車前需經(jīng)過嚴格的試驗驗證,包括軸承臺架試驗和齒輪箱臺架試驗。目前國內(nèi)外沒有城軌車輛齒輪箱軸承臺架試驗標準和行業(yè)標準,戚墅堰所根據(jù)城軌車輛齒輪箱運行特點和試驗經(jīng)驗制定了城軌車輛齒輪箱軸承臺架試驗企業(yè)標準。輸入軸圓柱滾子軸承和四點接觸球軸承參考TB/T 3017.2—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第2部分:牽引電機軸承》和TB/T 3017.3—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第3部分:抱軸箱滾動軸承》,輸出軸圓錐滾子軸承參考TB/T 3017.1—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第1部分:軸箱滾動軸承》和TB/T 3017.3。軸承試驗機原理如圖6所示。
圖6 滾動軸承壽命試驗機示意圖
軸承臺架試驗是驗證軸承運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,驗證軸承運行發(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,部分型號要求80×104km耐久試驗。
齒輪箱臺架試驗通常按照主機企業(yè)與齒輪箱生產(chǎn)企業(yè)簽訂的試驗大綱執(zhí)行,主要包括跑合試驗、油位油量試驗、齒輪箱傾斜試驗、低溫啟動試驗、高溫試驗、額定轉(zhuǎn)速加載試驗、最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗、最大啟動扭矩加載試驗、疲勞試驗等,驗證軸承在多工況下的運行性能。
為對比國產(chǎn)軸承和進口軸承性能的差異,分別將國產(chǎn)軸承與進口軸承安裝于某型號城軌車輛齒輪箱開展臺架試驗。分別進行低溫啟動試驗、疲勞試驗、最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗和高溫試驗,工況參數(shù)見表2。齒輪箱臺架試驗主要監(jiān)測軸承溫度,分別測量輸入軸車輪側(cè)(PW)、輸入軸電動機側(cè)(PM)、輸出軸車輪側(cè)(GW)、輸出軸電動機側(cè)(GM)和潤滑油(OIL)的溫度,測點如圖7所示。每組試驗中國產(chǎn)軸承和進口軸承分別取4套,測量正、反轉(zhuǎn)工況下各測點最高溫度,取平均值,結(jié)果見表3—表6。
表2 齒輪箱臺架試驗工況參數(shù)
圖7 齒輪箱溫度測點分布圖
表3 低溫啟動試驗軸承最高溫度
表4 疲勞試驗軸承最高溫度
表5 最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗軸承最高溫度
表6 高溫試驗軸承最高溫度
由表3—表6可知:
1)對于低溫啟動試驗,正轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL平均最高溫度分別比進口軸承低27.0,28.3,4.0,-1.0,2.7 ℃,反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL測點平均最高溫度分別比進口軸承低23.0,23.9,2.5,7.4,1.7 ℃;
2)對于疲勞試驗,正轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL平均最高溫度分別比進口軸承低3.8,3.7,5.9,8.3,8.2 ℃,反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL測點平均最高溫度分別比進口軸承低4.6,3.6,6.8,7.9,10.5 ℃;
3)對于最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗,正轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL平均最高溫度分別比進口軸承低2.3,-0.4,3.5,4.7,6.0 ℃,反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL平均最高溫度分別比進口軸承低1.3,-1.3,1.6,2.9,5.5 ℃;
4)對于高溫試驗,正、反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW,PM,GW,GM,OIL平均最高溫度分別比進口軸承低10.5,12.1,13.5,11.9,11.3 ℃;
5)4種試驗中國產(chǎn)軸承大部分測點溫度低于進口軸承。
目前城軌列車齒輪箱軸承的更換周期約為120×104km,近期計劃將更換周期延長至160×104km,為考核國產(chǎn)軸承耐久性,對齒輪箱軸承進行了240×104km耐久試驗,以輸出端軸承為例,軸承耐久試驗加載參數(shù)見表7,試驗臺具備溫度及振動報警功能,實時記錄2套試驗軸承的溫升。
表7 軸承耐久試驗加載參數(shù)
耐久試驗每個試驗循環(huán)測得軸承溫度均被實時記錄,由于試驗里程過長,只展示部分運行區(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 ℃。由于進口軸承未開展耐久試驗,無法對比,但從國產(chǎn)軸承耐久試驗溫度可以看出國產(chǎn)軸承最高溫度正常,試驗過程中溫度無異常波動。
圖8 耐久試驗輸出端軸承溫度
拆解耐久試驗后的軸承,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。試驗后的潤滑油分析未發(fā)現(xiàn)Fe元素超標。
圖9 耐久試驗后輸出端軸承拆解圖
綜上試驗分析可知:國產(chǎn)軸承性能可滿足城軌車輛齒輪箱軸承的設(shè)計要求。
軌道車輛對于安全性要求極高,國產(chǎn)、高精度軸承大批量制造能力和試驗數(shù)據(jù)分析能力與國際一流企業(yè)還存在一定差距,國內(nèi)軸承企業(yè)還需重點開展以下研究:
1)提高軸承設(shè)計和仿真分析能力,進一步加強人才培養(yǎng)和技術(shù)積淀。
2)開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)開展大批量的軸承臺架試驗、齒輪箱臺架試驗和裝車考核試驗,積累試驗數(shù)據(jù)并進行分析。
通過不斷的技術(shù)積累及試驗研究,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)我國城市軌道交通的運營工況,最終提出適合國內(nèi)運營條件的軸承技術(shù)標準,為后續(xù)城軌車輛齒輪箱軸承的國產(chǎn)化提供技術(shù)支持。