铁路车辆轴承及其润滑技术新趋势

 

一、车轴轴承的必备功能

 

除了承受车辆和负载质量产生的静态和动态径向载荷外，车轴轴承还必须承受非恒定的轴向推力，作为传动装置的组成部分，轴承故障会对车辆运行产生重大影响，因此，长期以来，人们一直对轴承结构的选择、设计和制造给予了细致的考虑，车轴轴承也因此不断发展，以满足不同代次车辆的需求，尤其是近年来对更高速度、更轻重量和免维护车轴轴承的需求。

 

关于新干线速度的提升，JR东海的300系新干线电动车组于1992年开始以最高时速270公里运行，而JR西日本的500系新干线电动车组则于1997年开始以300公里的时速运行。即使在既有线路上，JR东日本的651系特急电动车组也于1989年首次以130公里的时速运行。自那以后，JR各公司竞相提高既有线路的列车速度。在这些速度提升的过程中，车轴轴承经历了结构性的发展。

 

第二个关键要求是轻量化，尤其是对于高速列车而言，车辆本身的轻量化对于节能和减少对轨道的影响至关重要。此外，减少簧下质量（即轴簧与空气弹簧之间的质量）和簧间质量（即轴簧与空气弹簧之间的质量）被认为可以提高高速运行时的稳定性，因此进一步要求轴轴承的轻量化。

近期，铁路公司一直在推动免维护运营，尤其是考虑到其管理理念。根据交通运输部的规定，日本铁路车辆会根据指定的行驶里程或运营时间进行检查或维修。最近，延长车辆维护间隔已成为一种趋势。例如，新干线车辆目前会在行驶不到90万公里或运营三年后进行全面检查；目标是在21世纪初将这一里程延长至120万公里。目前，转向架检查时会检查轴轴承，但未来在行驶120万公里后将要求实现免维护运营。

 

二、车轴轴承的使用寿命与维护

 

车轴轴承的设计寿命为滚子与滚道表面发生脱层之前。在维护方面，对于新干线电动车组（EMU），在转向架检查（运行时间少于一年或行驶里程少于45万公里）和全面检查（运行时间少于三年或行驶里程少于90万公里）期间，会对车轴轴承进行拆卸和检查，对于现有电动车组，在关键检查（运行时间少于四年或行驶里程少于60万公里）和全面检查（运行时间少于八年）期间，也会进行上述操作。此外，在新干线列车上，当车轴轴承达到一定里程（300万公里）或年限（6-7年）后，会按计划进行更换。迄今为止，轴承更换并非因脱层，而是因电解腐蚀，虽然如果在检查过程中发现轴承有凹痕或划痕，可能会进行更换，但计划性更换占这些情况的大多数。

 

油脂密封圆锥滚子轴承中的油脂和密封件的寿命是一个关键问题。目前，新干线车辆在每次转向架检查时都会进行轴轴承检查。然而，在现有线路上，密封轴轴承只有在全面检查后，当车轮直径达到其极限（平均里程约100万公里）时才会被拆下进行检查。因此，确保油脂和密封件达到这一最低寿命至关重要。

 

三、牵引电机轴承

 

电动汽车牵引电机的扭矩通过联轴器传递至齿轮机构中的小齿轮，小齿轮再将其传递至压装在车轴上的大齿轮，最终在车轮和轨道之间产生驱动力和制动力。牵引电机和齿轮机构旋转机构中使用的轴承至关重要。牵引电机和齿轮机构之间的联接方式各不相同。并联万向节传动系统是一个典型示例，展示了轴承的位置。在窄轨线路上运行的电动汽车由于转向架空间有限，因此使用柔性板式联轴器。然而，在宽轨线路上运行的新干线电动汽车则使用齿轮联轴器。近年来，由于牵引电机的紧凑性，即使是现有的无轨电车也采用了碳纤维增强塑料（CFRP）板式联轴器，该联轴器能够在短距离内产生必要的柔性位移。

 

四、牵引电机轴承功能

 

电动汽车中的牵引电机轴承需承受由转子轴和联轴器质量产生的径向载荷，以高dmN值（轴承滚动体的节径与转速的乘积）旋转，并频繁交替启停。由于运行过程中转向架振动的影响，轴承会承受动载荷。由于其静态质量相对较低，牵引电机轴承的计算寿命显著长于车轴轴承和齿轮轴承。通常，这些轴承在齿轮侧使用圆柱滚子轴承，在另一侧使用深沟球轴承，后者还支撑转子轴的轴向移动，并采用油脂润滑。近期电动汽车配备了变频调速（VVVF）控制的交流电机，在保持高速的同时实现了轻量化和小型化。本文讨论了新干线与现有电动汽车的最大运行速度与牵引电机轴承（齿轮侧）的dmN值之间的关系。新干线与现有铁路车辆牵引电机中所用轴承的dmN值基本相同。新干线电动汽车大小齿轮之间的对应传动比约为2-3，而现有铁路车辆则为4-7，是前者的两倍。因此，在给定距离内，每辆电动汽车的轴承累计旋转次数约为新干线电动汽车的两倍。

 

在使用交流电机时，为了提高轴承和润滑脂的耐热性和耐用性，以应对轴承的高速旋转和牵引电机部件的温度升高，人们付出了诸多努力。直流电机通常使用锂基润滑脂进行润滑，这是旋转机械轴承常用的润滑脂。随着交流电机在牵引电机中的应用，人们开发出了锂复合皂基润滑脂，以提高耐热性和耐用性。这些润滑脂广泛应用于使用交流电机的车辆，包括300系列新干线电动车。它们也广泛应用于使用交流电机的较新型铁路电动车的牵引电机。在轴承方面，保持架引导方法的改变减少了润滑脂的降解；轴承绝缘防止了电解腐蚀；尺寸稳定热处理的应用抑制了轴承尺寸波动。

 

保持架是精确维持滚动元件旋转运动的轴承部件。其旋转引导可以通过沿外圈内径表面引导（外圈引导）或使用滚动元件（滚子）滚道（滚子引导）来实现。在外圈引导的情况下，保持架与外圈内径表面形成滑动接触。如果由于润滑脂老化和电解腐蚀导致润滑性能下降，保持架引导表面和外圈内径表面容易磨损。在滚动元件引导方法的情况下，与滚道表面的滑动接触确保了更好的润滑，即使在润滑条件降低的情况下也能防止润滑脂降解。随着保持架制造技术的进步和成本的降低，滚动元件引导的保持架现在正被用于牵引电机轴承。

 

为提高电解腐蚀防护的有效性，已采取了各种对策，而轴承绝缘被认为是最有效的方法。轴承绝缘处理包括在外圈的外径和端面上涂覆绝缘材料，如主要由氧化铝和聚苯硫醚（PPS）树脂（聚苯硫醚）组成的陶瓷。陶瓷通过喷涂施加，而PPS通过注塑成型施加，确保了牢固的粘附。陶瓷涂层绝缘轴承最初被用于300系列新干线的主电机轴承，此后其应用范围已扩展至其他新干线电动车辆。虽然聚苯硫醚（PPS）存在韧性稍有不足的缺点，但它具有耐热性、尺寸稳定性和良好的成型性。在成型过程中加入玻璃纤维以提高韧性。在热、机械和电介质击穿特性等物理性能方面，氧化铝陶瓷优于聚苯硫醚树脂。然而，尽管聚苯硫醚略逊一筹，但在实际应用中这并不是问题。此外，由于成本优势，聚苯硫醚树脂涂层绝缘轴承首先被用于JR East的E209系列电动车辆，现已广泛应用于配备交流电机的现有新线路电动车辆。

 

在绝缘轴承的开发过程中，不仅测试了轴承旋转所需的特性，还进行了轴箱的拆装测试。此外，还从维护角度进行了一系列评估测试，包括轴承的化学清洗和液体浸泡测试。

 

五、牵引电机轴承的新型维护方法

 

自300系列新干线电动车引入交流电机以来，开发了一种非拆卸检查方法，主要侧重于轴承，以取代传统的拆卸检查方法。对于已达到检查间隔的车辆所使用的牵引电机，在不拆卸的情况下检查轴承是否有异常，并对重复使用的轴承进行油脂清洁和重新填充。通过振动分析和使用荧光X射线进行现场油脂分析来检测轴承异常。油脂清洁采用高温高压水和真空抽吸相结合的方式进行。

 

六、齿轮轴承的功能

 

齿轮轴承采用一对单列圆锥滚子轴承，同时用于齿轮和小齿轮。小齿轮轴承由一个前部组件构成，一个位于牵引电机侧，另一个位于车轮侧。由于联轴器的不同，齿轮轴承可能同时具有背靠背组件和前部组件。齿轮轴承作为支撑机构，既能吸收运行过程中的振动，又能平稳地将旋转力传递给车轴。这些轴承在严苛的条件下运行，负载和速度（包括振动条件）是主要的设计考量因素。它们采用浴式润滑系统，使用80号或90号齿轮油进行润滑。轴承负载根据齿轮装置的额定扭矩计算，同时考虑齿轮啮合反力，包括动载系数和运行过程中的振动加速度，其中小齿轮轴和齿轮（传动）箱的惯性为主要负载因素。轴向和径向轴承负载根据齿轮传动的尺寸因素计算。近年来，新干线电动车300系列及以后的变速箱已从铸钢材质改为铝合金（JISAC4C）。这使得变速箱实现了小型化，质量约为之前型号的一半。簧下质量的减少也有助于降低轴承负载。最近，随着转向架部件的轻量化，新干线电动车轴承的尺寸也实现了小型化。

 

圆锥滚子轴承通过大型内圈肋与圆锥滚子的大端面之间形成滚动和滑动接触。PV值（接触点表面压力与滑动速度V的乘积）是判断热卡死和磨损风险的重要指标。虽然新干线电动车与现有轨道车辆在接触点的表面压力和滑动速度上存在一些差异，但PV值并无显著差异。

 

七、提高齿轮轴承的性能

 

齿轮轴承，尤其是小齿轮轴承，在车辆运行过程中会受到振动，从而在保持架的各个部位产生各种高频交变应力。随着新干线电动车辆速度的提高，确保保持架疲劳强度的可靠性成为了一个特别具有挑战性的问题。通过增加保持架板的厚度以提高刚性和减少应力，并对保持架表面进行软氮化处理以提高耐磨性和疲劳强度，从而显著提高了保持架的疲劳强度。

 

新干线电动列车齿轮系统以高速、连续运行为特点，由于润滑油的搅动会产生高温升。为防止因长期使用导致内径增大而引起的轴承内圈蠕变，通常会对轴承内圈进行尺寸稳定化热处理。现有电动列车小齿轮轴承中曾报道过内圈肋烧伤现象。在高传动比电动列车启动时，齿轮会迅速加速，而温度的快速升高很容易减小轴承的轴向间隙，导致大内圈肋与滚子端面摩擦表面之间的油膜破裂。虽然在运行过程中这通常不会造成问题，但在冬季启动时，由于室外温度低且润滑油粘度高，润滑油循环可能会变得困难。为防止内圈肋烧伤，应重点提高轴承轴向间隙管理值的下限，改进齿轮箱内的润滑结构，在寒冷地区适当降低润滑油粘度。此外，还可以对轴承设计进行改进，例如将内圈大肋与滚子大端面之间的接触点移近旋转中心，从而降低接触点的滑动速度，并提高接触表面的表面粗糙度。

 

八、结论

 

铁路轴承已不断发展，以满足各个时代的需求。未来的挑战在于实现更长的免维护运行时间，以及更准确地了解运行条件，这主要基于实际载荷。此外，随着轴承材料的显著进步，研究滑动接触区域（如滚子和滚道或保持架）的摩擦学特性对于提高滚动疲劳强度至关重要。