最近的鐵道車輛用車軸、牽引電動機(jī)及齒輪裝置用軸承,要求實(shí)現(xiàn)高速化、輕量化及緊湊化,以提高性能,同時(shí),在軸承維修方面,迫切要求延長分解檢查周期,延長工作壽命。

下面介紹在上述背景下,鐵道車輛用軸承及其潤滑技術(shù)的新動向。

1、車軸軸承所要求的功能

車軸軸承除了承受由車輛質(zhì)量及裝載質(zhì)量構(gòu)成的靜態(tài)、動態(tài)徑向載荷外,還要承受軸向非恒定的推力。軸承是走行裝置中的一個零部件,因而其故障對于車輛運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。因此,長期以來,在軸承結(jié)構(gòu)的選擇、設(shè)計(jì)制造方面進(jìn)行了周密考慮。車軸軸承在適應(yīng)各個時(shí)期車輛的需要中得到了發(fā)展,而最近要求車軸軸承高速化、輕量化、免維修化。

關(guān)于新干線的提速,從1992年JR東海公司300系新干線電動車組開始,以最高速度270km/h運(yùn)營,1997年JR西日本公司采用500系新干線電動車組開始速度300km/h的運(yùn)營。即使是既有線車輛,1989年JR東日本公司651系特快電動車組也首次開始130km/h的運(yùn)營。以后,JR各公司競相在既有線上進(jìn)行了列車提速。在上述的列車提速中車軸軸承在結(jié)構(gòu)上取得了新的發(fā)展。

第二個重要條件是輕量化,特別是列車高速化時(shí)迫切要求車輛自身的輕量化。車輛的輕量化關(guān)系到節(jié)能,同時(shí)是為減輕對軌道影響的必要條件。另外,降低簧下質(zhì)量及簧間質(zhì)量(軸彈簧與空氣彈簧間的質(zhì)量),可認(rèn)為有利于高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性,從而也要求車軸軸承輕量化。

尤其是最近以來,根據(jù)鐵道公司經(jīng)營上的理念,迫切要求免維修化,根據(jù)運(yùn)輸省命令規(guī)定,日本鐵道車輛按照指定的運(yùn)行里程或運(yùn)行時(shí)間施行檢查或修理。最近,延長車輛檢修周期成為發(fā)展方向。例如,新干線檢修車輛的全面檢查,目前是不滿90萬km或運(yùn)行不滿3年;而21世紀(jì)初期目標(biāo)是延長到運(yùn)行120萬km。目前,車軸軸承在轉(zhuǎn)向架檢查周期中施行檢修,但將來要求運(yùn)行120萬km免維修。

2、車軸軸承的壽命與維修

車軸軸承是考慮直至滾子、滾道表面發(fā)生剝離的壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)的。關(guān)于維修,新干線電動車組轉(zhuǎn)向架檢查(運(yùn)行不滿1年或45萬km)及全面檢查(運(yùn)行不滿3年或90萬km),既有線電動車組重要部位檢查(運(yùn)行不滿4年或60萬km)及全面檢查(運(yùn)行不滿8年)時(shí),車軸軸承進(jìn)行分解檢查,同時(shí),對新干線達(dá)到運(yùn)行一定里程(300萬km)或年數(shù)(6年～7年),就有計(jì)劃地進(jìn)行更換。迄今為止的實(shí)績,沒有由于產(chǎn)生剝離的情況而更換軸承,由于電蝕而更換軸承的情況較多。在檢查階段也有一些一經(jīng)確認(rèn)有壓痕、傷痕等而更換軸承的情況,計(jì)劃更換的比例占了大多數(shù)。

潤滑脂密封型圓錐滾動軸承的潤滑脂與密封的壽命成為關(guān)鍵問題。目前,新干線車輛每次轉(zhuǎn)向架檢查中都進(jìn)行車軸軸承檢修,但在既有線車輛中,到全面檢查輪徑到達(dá)限度值(運(yùn)行平均為100萬km左右)前,不取出密封型車軸軸承作檢查,從而,至關(guān)重要的問題是確保潤滑脂與密封最短也要達(dá)到上述的壽命。

3、牽引電動機(jī)用軸承

電動車牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)軸節(jié)傳遞到齒輪裝置的小齒輪上,再由小齒輪傳遞到壓裝在車軸上的大齒輪上,最后成為輪軌間的驅(qū)動力及制動力。牽引電動機(jī)及齒輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)裝置中使用的軸承很重要。牽引電動機(jī)/齒輪裝置間的聯(lián)軸節(jié)方式各不相同,平行萬向聯(lián)軸節(jié)式驅(qū)動裝置的典型實(shí)例,表示其軸承位置。窄軌線路上運(yùn)行的電動車,由于轉(zhuǎn)向架空間的關(guān)系,可使用撓性板聯(lián)軸節(jié);而在軌距較寬的線路上運(yùn)行的新干線電動車使用了齒輪聯(lián)軸節(jié)。最近,由于牽引電動機(jī)的緊湊化,連既有線電動車也采用了短距離內(nèi)產(chǎn)生必要撓性位移的CFRP板聯(lián)軸節(jié)。

4、牽引電動機(jī)用軸承功能

電動車牽引電動機(jī)用軸承承受由轉(zhuǎn)子軸及聯(lián)軸節(jié)的質(zhì)量產(chǎn)生的徑向載荷,進(jìn)行高dmN值(軸承滾動體的節(jié)圓直徑與旋轉(zhuǎn)速度的積)的旋轉(zhuǎn),并且頻繁而交替地運(yùn)轉(zhuǎn)、停止。由于運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架振動的影響,軸承承受動載荷,由于靜態(tài)質(zhì)量相對較小,牽引電動機(jī)用軸承的計(jì)算壽命,比車軸用軸承及齒輪裝置用軸承的壽命長很多。通常,這類軸承型式是,齒輪側(cè)使用圓柱滾動承;與齒輪相反的另一側(cè)采用深槽滾珠軸承,它兼具支承轉(zhuǎn)子軸軸向運(yùn)動的作用,采用潤滑脂潤滑。近年來的新型電動車安裝了VVVF控制的交流電動機(jī),其電機(jī)實(shí)現(xiàn)了輕量化、緊湊化,且保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)。有關(guān)新干線與既有線電動車運(yùn)營的最高速度與牽引電動機(jī)軸承(齒輪側(cè))的dmN值的關(guān)系。新干線與既有線車輛牽引電動機(jī)用軸承的dmN值基本上相同,而相對應(yīng)的大、小齒輪間的傳動比:新干線電 動車大致為2～3;而既有線電動車大致為4～7,后者是前者的2倍。因此,車輛運(yùn)行一定距離時(shí)的軸承累計(jì)旋轉(zhuǎn)數(shù),既有線電動車是新干線電動車的2倍左右。

采用交流電動機(jī)時(shí),為處理軸承的高速旋轉(zhuǎn)與牽引電動機(jī)各部件的溫度上升問題,在提高軸承及潤滑脂的耐熱性、耐久性上下了功夫。通常,直流電動機(jī)采用了鋰基潤滑脂潤滑,它是一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承用的一種潤滑脂。隨著牽引電動機(jī)采用交流電動機(jī),以提高耐熱性、耐久性為目標(biāo),開 發(fā)了復(fù)合鋰基皂性潤滑脂,廣泛應(yīng)用于以300系新干線電動車為首的采用了交流電動機(jī)的車輛上,在采用了交流電動機(jī)的新型既有線電動車輛牽引電動機(jī)上,也廣泛應(yīng)用了這種潤滑脂。在軸承方面,由于改變保持架導(dǎo)向方式,減少了潤滑脂的老化;通過軸承絕緣防止電蝕;通過尺寸穩(wěn)定化熱處理的應(yīng)用,抑制了軸承尺寸的變化。保持架是高精度地維持滾動體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的軸承零件,而其自身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向有沿外圈內(nèi)徑面進(jìn)行導(dǎo)向的方式(外圈導(dǎo)向)和利用滾動體(滾子)的滾動面進(jìn)行導(dǎo)向(滾動體導(dǎo)向)的方式。外圈導(dǎo)向時(shí)的保持架,由于與外圈內(nèi)徑面之間形成滑動接觸,如因潤滑脂老化及產(chǎn)生電蝕等導(dǎo)致潤滑性能降低,則保持架導(dǎo)向面及外圈內(nèi)徑面易引起磨耗。而滾動體導(dǎo)向方式由于與滾動面的滑動接觸,更容易確保油潤,即使?jié)櫥瑮l件降低的情形下,也有利于防止?jié)櫥�脂老�?加上保持架制造技術(shù)的進(jìn)步及成本降低等效果,最近,牽引電動機(jī)軸承正在使用滾動體導(dǎo)向的保持架。為防止電蝕,采取了各種對策,也提高了效果,確認(rèn)軸承的絕緣是最有效的方法。軸承的絕緣處理有對外圈外徑面及端面被覆以氧化鋁為主要成分的陶瓷及PPS樹脂(聚苯硫醚)等絕緣物的方法。陶瓷采用噴鍍法,PPS采用注射成型法被覆在外圈外徑面,被覆層粘附牢固。

陶瓷被覆的絕緣軸承首先應(yīng)用于300系新干線主電動機(jī)軸承,并擴(kuò)大應(yīng)用于其他新干線電動車上。PPS的缺陷是韌性稍為不足,但其具有耐熱性及尺寸穩(wěn)定性,成型加工性能也好。成型時(shí)添加玻璃纖維以改善韌性。在熱力性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)及絕緣破壞特性等物理性質(zhì)方面,氧化鋁陶瓷優(yōu)于PPS樹脂,但是,PPS雖稍微遜色,實(shí)際應(yīng)用上并無問題,況且由于成本方面的優(yōu)勢,PPS樹脂被覆的絕緣軸承,最先應(yīng)用于以JR東日本公司E209系的電動車上,并大量應(yīng)用于安裝了交流電動機(jī)的新型既有線電動車上。

開發(fā)絕緣軸承時(shí),不僅針對軸承旋轉(zhuǎn)所必需的特性進(jìn)行了試驗(yàn),而且進(jìn)行了與軸箱的分解組裝試驗(yàn),還設(shè)定了軸承的藥液清洗,進(jìn)行了液體浸漬試驗(yàn)等一系列從維修方面考慮的評價(jià)試驗(yàn)。

5、牽引電動機(jī)軸承的新維修法

300系新干線電動車以交流電動機(jī)的應(yīng)用為契機(jī),為替代以往的分解檢查法,進(jìn)行了主要以軸承部分為對象的牽引電動機(jī)的非分解檢查法的開發(fā)。對于運(yùn)行到檢查周期距離的車輛用牽引電動機(jī),在完全非分解狀態(tài)下實(shí)施軸承有無異常的檢測,及對再使用軸承的潤滑脂清洗并重新填充潤滑脂等。軸承是否有異常的檢測是通過對軸承的振動法及采用了熒光X射線的潤滑脂的現(xiàn)場(就地)分析來進(jìn)行的,采用組合了高溫、高壓水及真空吸引的裝置實(shí)施潤滑脂的清洗。

6、齒輪裝置用軸承的功能

齒輪裝置用軸承,大齒輪及小齒輪均用1對的單列圓錐滾動軸承,小齒輪軸承由牽引電動機(jī)側(cè)與車輪側(cè)的正面組合構(gòu)成;大齒輪軸承由于聯(lián)軸節(jié)不同,有背面組合與正面組合。齒輪裝置的軸承作用是,作為支承機(jī)構(gòu),一方面承受運(yùn)行時(shí)的振動,一方面將旋轉(zhuǎn)力平穩(wěn)地傳遞到車軸上。它是在嚴(yán)格條件下使用的一種軸承,包含了振動條件的載荷與轉(zhuǎn)速是軸承的主要設(shè)計(jì)依據(jù),其潤滑采用80號或90號齒輪油油浴潤滑。作為軸承載荷,可按齒輪裝置額定轉(zhuǎn)矩工況下,對以考慮了動載荷系數(shù)的齒輪嚙合反力,和運(yùn)行時(shí)的振動加速度為前提的小齒輪軸和齒輪(變速)箱的慣性力為主要載荷要素,以齒輪變速箱的尺寸要素為基礎(chǔ),求出軸向及徑向的軸承載荷。近年來,300系以后的新干線電動車齒輪箱由以往的鑄鋼材料改為鋁合金(JISAC4C)材,結(jié)果表明,實(shí)現(xiàn)了小型化,,減輕了簧下質(zhì)量,從而有利于降低軸承載荷。最近,新干線電動車軸承的尺寸隨著轉(zhuǎn)向架零部件的輕量化正在實(shí)現(xiàn)小型化。

圓錐滾動軸承由于內(nèi)圈大擋邊與圓錐滾子的大端面形成滾動、滑動接觸,接觸點(diǎn)的表面壓力與滑動速度V的積即PV值,作為對于發(fā)生熱膠著及咬傷限界的一種目標(biāo)。新干線電動車與既有線電動車之間表面壓力及接觸點(diǎn)的滑動速度看來存在若干差異,但是如用PV值來看則無大的差異。

7、提高齒輪裝置用軸承的性能

齒輪裝置用軸承尤其是小齒輪軸承,受到車輛運(yùn)行時(shí)振動的影響,保持架各部分產(chǎn)生各種高頻交變應(yīng)力。特別是新干線電動車高速化時(shí),確保保持架的疲勞強(qiáng)度的可靠性是技術(shù)課題。采用提高保持架的板厚,以增強(qiáng)剛性,降低應(yīng)力,以及利用保持架表面施行軟氮化處理,以提高耐磨性,同時(shí)提高疲勞強(qiáng)度的方法等,顯著改善了保持架的疲勞強(qiáng)度。

具有高速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特征的新干線電動車齒輪裝置,由于潤滑油的攪拌,溫度上升較高,為了防止長時(shí)間使用下因內(nèi)圈內(nèi)徑尺寸的增大引起軸承內(nèi)圈的蠕動,軸承內(nèi)圈一般施行尺寸穩(wěn)定化熱處理。既有線電動車的小齒輪軸承有出現(xiàn)內(nèi)圈擋邊燒傷的情形,傳動比大的既有線電動車起動時(shí)齒輪高加速旋轉(zhuǎn),由于快速的溫度上升,容易導(dǎo)致軸承軸向間隙減小,內(nèi)圈大擋邊面與滾子端面的摩擦表面上,有產(chǎn)生油膜破裂的情形。通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)并不會產(chǎn)生什么問題,但是在冬季起動時(shí),由于室外溫度低,潤滑油粘度高,有潤滑油難以巡回的現(xiàn)象。對于內(nèi)圈擋邊燒傷,著眼于加大軸承軸向間隙管理值的下限,改善齒輪箱內(nèi)的潤滑結(jié)構(gòu),對于寒冷地區(qū),適當(dāng)降低潤滑油粘度等。此外,可在軸承設(shè)計(jì)方面予以改進(jìn),采取使內(nèi)圈大擋邊與滾子大端面的接觸處移動到旋轉(zhuǎn)中心,降低接觸點(diǎn)的 滑動速度和改善接觸面的表面粗糙度等措施,來防止內(nèi)圈擋邊的燒傷。

8、結(jié)束語

鐵道車輛用軸承在適應(yīng)于各個時(shí)期的需求中獲得發(fā)展,今后的課題是,為實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的免維修,更正確地掌握以實(shí)際承受載荷為首的使用條件,另外,現(xiàn)在軸承材料顯著進(jìn)步,在提高滾動疲勞強(qiáng)度措施方面,從滾子與擋邊或保持架等滑動接觸部分的摩擦學(xué)方面進(jìn)行研究是至關(guān)重要的課題。

來源：NSK軸承

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