北京地鐵8號(hào)線車輛軸箱軸承國(guó)產(chǎn)化研制和試驗(yàn)

王紅艷，李 熙，宗立明

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

北京地鐵8號(hào)線車輛軸箱軸承國(guó)產(chǎn)化研制和試驗(yàn)

王紅艷，李 熙，宗立明

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

為降低軸箱軸承維修成本及縮短產(chǎn)品采購(gòu)周期，對(duì)北京地鐵8號(hào)線車輛軸箱軸承進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制。介紹了國(guó)產(chǎn)化軸箱軸承研制中的主要設(shè)計(jì)技術(shù)要求、制造工藝、壽命試驗(yàn)、跑合試驗(yàn)及裝車考核試驗(yàn)。通過(guò)一系列試驗(yàn)表明，國(guó)產(chǎn)軸箱軸承已完全滿足北京地鐵8號(hào)線列車的產(chǎn)品技術(shù)條件和運(yùn)用要求。

地鐵；車輛；軸箱軸承；國(guó)產(chǎn)化研制；試驗(yàn)

軸箱軸承是地鐵車輛連接輪對(duì)與構(gòu)架的活動(dòng)關(guān)節(jié)，并傳遞牽引力、橫向力和垂向力的關(guān)鍵部件，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)直接關(guān)系到車輛的乘坐舒適度與運(yùn)行安全。目前，北京地鐵8號(hào)線所有車輛軸箱軸承的備件供應(yīng)均采用國(guó)外技術(shù)國(guó)內(nèi)組裝或原裝進(jìn)口產(chǎn)品，因此，軸承采購(gòu)及維修周期時(shí)間較長(zhǎng)，成本也較高。為有效降低軸箱軸承維修成本，縮短采購(gòu)周期，北京地鐵聯(lián)合西北軸承股份有限公司對(duì)北京地鐵8號(hào)線列車進(jìn)口軸箱軸承進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)和研制。

1 北京地鐵8號(hào)線現(xiàn)有軸箱軸承概況

北京地鐵8號(hào)線于2008年7月19日開(kāi)通，其軸承采用120JRF11S8CG125型軸承，其原產(chǎn)品技術(shù)條件如下：

（1）結(jié)構(gòu)型式為有軸箱結(jié)構(gòu)，軸承為自密封整體結(jié)構(gòu)，軸承安裝時(shí)需采用專用工具進(jìn)行壓裝。

（3）徑向間隙：0.100 mm～0.150 mm；軸向間隙：0.55 mm～1.1 mm。

（4）額定負(fù)荷：額定動(dòng)負(fù)荷：Cr≥830 kN；額定靜負(fù)荷：C0r≥1 350 kN。

（5）在北京地鐵8號(hào)線電動(dòng)客車的使用環(huán)境和正常的使用條件下，軸承的正常質(zhì)量保證期為100萬(wàn)km，軸承的正常使用壽命大于250萬(wàn)km，80萬(wàn)km免維護(hù)。

2 國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的研制

2.1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)要求

國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的內(nèi)、外圈和滾子材料均采用GCr15優(yōu)質(zhì)電渣重熔鋼，其設(shè)計(jì)及安裝尺寸依據(jù)原產(chǎn)品技術(shù)要求設(shè)計(jì)[1,6～7]。軸承結(jié)構(gòu)采用雙列圓柱滾子軸承，其中外圈為三擋邊，內(nèi)圈為單擋邊設(shè)計(jì)。套圈擋邊選擇了傾斜角為20′的斜擋邊設(shè)計(jì)[2～3]，這種結(jié)構(gòu)能有效改善滾動(dòng)體與擋邊的接觸狀態(tài)，有利于潤(rùn)滑油膜的形成，并減少擋邊磨損。保持架為實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用斜兜孔帶鎖量設(shè)計(jì)[4]。

軌道車輛軸承運(yùn)行環(huán)境的特殊性，要求軸承必須具有非常高的可靠性和穩(wěn)定的壽命，因此設(shè)計(jì)輕軌軸承時(shí)按軸承設(shè)計(jì)中最高可靠性系數(shù)99%[5]進(jìn)行計(jì)算，理論設(shè)計(jì)壽命達(dá)到了200萬(wàn)km以上，軸承壽命計(jì)算過(guò)程如下：

軸承額定動(dòng)載荷：Cr=843 kN；車輪直徑：D=840 mm；最大速度：vmax=80 km/h；當(dāng)量動(dòng)載荷：P=7t = 7×9.8=68.6kN，則

當(dāng)可靠性系數(shù)Re=0.21，即可靠度為99%時(shí)，Lna =ReL10k=0.21×11295023=2363554 km即按最高可靠度計(jì)算軸承的理論計(jì)算壽命可以達(dá)到236萬(wàn)km。

2.2 國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的試制

滾動(dòng)軸承的主要生產(chǎn)工序?yàn)橄铝?、鍛造、車加工、熱處理、磨加工、裝配等，國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的主要加工工藝流程如圖1所示。

圖1 國(guó)產(chǎn)軸箱軸承制造工藝流程

2.2.1 套圈試制

軸承套圈的加熱、鍛造、退火、淬火等過(guò)程需要經(jīng)過(guò)非常復(fù)雜的工藝過(guò)程。例如，套圈鍛造的終鍛溫度通常在850℃～900℃，需快速降低到700℃，防制碳化物的析出。通常鍛件采用自然冷卻，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，自制噴霧冷卻裝置，確保鍛造組織合格。為使軸承套圈獲得合格的金相組織和硬度，需要對(duì)軸承套圈進(jìn)行下貝氏體鹽浴等溫淬火。把軸承零件加熱使其奧氏體化并均勻化后，使之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（260℃～400℃），放入溫度稍高于Ms點(diǎn)的硝鹽浴或堿浴中，等溫保持一定時(shí)間（一般在浴槽中保溫時(shí)間為30 min～60 min），使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，然后取出置于空氣中冷卻。

2.2.2 保持架試制

保持架采用高強(qiáng)度鋁青銅離心鑄造毛坯，外形車制，兜孔在數(shù)控立式加工中心加工，插床清根，最后去毛刺、噴砂處理的工藝流程，保證了保持架的外形尺寸和兜孔的幾何精度。

2.2.3 滾動(dòng)體試制

對(duì)滾動(dòng)體按如下工藝進(jìn)行加工：車外徑—切斷—軟磨外徑—軟磨端面—車倒角—熱處理—噴砂—粗磨外徑—粗磨端面—細(xì)磨外徑—細(xì)磨端面—精磨外徑—磨弧坡—超精外徑—探傷—終磨外徑—清洗—總檢分組—涂油包裝。

2.2.4 軸承裝配

經(jīng)過(guò)磁粉探傷、尺寸檢驗(yàn)、幾何精度檢驗(yàn)的零件進(jìn)入裝配進(jìn)行組裝。為了保證裝配質(zhì)量，設(shè)計(jì)制作了壓裝設(shè)備裝入滾子，避免敲擊生成對(duì)滾子表面損傷。密封罩的壓裝采用油壓機(jī)平穩(wěn)壓入。組裝完成后對(duì)尺寸、游隙、注脂量進(jìn)行100%檢驗(yàn)。

2.2.5 潤(rùn)滑和密封系統(tǒng)

考慮到北京地鐵8號(hào)線軸箱軸承的使用及維護(hù)要求，填裝的軸承潤(rùn)滑采用運(yùn)用于高鐵車輛軸箱軸承的Ⅳ型鐵道專用潤(rùn)滑脂。另外，軸承密封罩與密封槽為過(guò)盈配合，密封槽設(shè)計(jì)為帶20°引導(dǎo)坡，采用油壓機(jī)進(jìn)行壓裝，壓入平穩(wěn)，易調(diào)控，其合格率達(dá)到100%。

3 國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的試驗(yàn)

國(guó)產(chǎn)化軸箱軸承樣品研制后，為驗(yàn)證其性能是否滿足北京地鐵8號(hào)線地鐵列車的使用要求，而進(jìn)行了軸箱軸承壽命試驗(yàn)、跑合試驗(yàn)和裝車考核試驗(yàn)。

3.1 壽命試驗(yàn)和跑合試驗(yàn)

為驗(yàn)證生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化NNJP 5224X2-2Z Q/ P69YA軸箱軸承的實(shí)際使用壽命與可靠性，西北軸承參考城市軌道車輛的實(shí)際工況，對(duì)兩套新制樣品在西北軸承試驗(yàn)站進(jìn)行了2年（120萬(wàn) km）的壽命試驗(yàn)。同時(shí)，委托國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心洛陽(yáng)軸承研究所檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行120萬(wàn)km壽命試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中未更換或添加過(guò)潤(rùn)滑脂。試驗(yàn)后的軸承外形尺寸基本保持了原始狀態(tài)，硬度未發(fā)生變化，僅外觀出現(xiàn)正常運(yùn)行痕跡。圖2是經(jīng)120萬(wàn)km壽命試驗(yàn)完成后的國(guó)產(chǎn)軸箱軸承。

圖2 經(jīng)120萬(wàn)km壽命試驗(yàn)完成后的國(guó)產(chǎn)軸箱軸承

軸承壽命試驗(yàn)完成后即進(jìn)行進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的換裝，并進(jìn)行軸箱跑合試驗(yàn)。所有軸箱經(jīng)跑合試驗(yàn)后的溫升不超過(guò)溫度報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T7928-2003中的9.6給出的標(biāo)準(zhǔn)值30℃。

3.2 不載客考核試驗(yàn)

換裝及跑合試驗(yàn)結(jié)束后，即進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化軸箱軸承裝車考核試驗(yàn)，試驗(yàn)計(jì)劃分不載客考核（包括空載試驗(yàn)和重載試驗(yàn)）和正線運(yùn)營(yíng)考核試驗(yàn)。裝車考核期間，在北京地鐵8號(hào)線一列車上安裝了48套國(guó)產(chǎn)軸箱軸承，不載客試驗(yàn)考核總里程為1 000 km。

3.2.1 JK10450系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)安裝在8號(hào)線一列車上的JK10450系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集軸箱軸承的沖擊、振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)置的故障診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)軸箱軸承是否發(fā)生報(bào)警。車輛試驗(yàn)回庫(kù)后對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，然后導(dǎo)入JK10450數(shù)據(jù)管理與地面分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，并與換裝前安裝進(jìn)口軸箱軸承車輛的溫升和振動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)國(guó)產(chǎn)化軸箱軸承運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 試驗(yàn)車某一軸位的沖擊波形圖

圖3 給出的是試驗(yàn)車某一軸位的沖擊波形圖，從圖中可以看出：時(shí)域波形圖經(jīng)轉(zhuǎn)換形成的頻譜圖與診斷抽象譜圖不能相對(duì)應(yīng)，所以試驗(yàn)車軸箱沒(méi)有受到明顯沖擊，即該車各軸位無(wú)明顯故障信息。

圖4和圖5給出的是安裝國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的車輛在空載和重載（第11天～12天）試驗(yàn)下軸箱軸承的溫升及軸承換裝前后的溫升對(duì)比情況。從圖4可以看出：試驗(yàn)車空載時(shí)軸箱最高溫度40.7℃，最高溫升18.5℃；重載時(shí)的最高溫度44.6℃，最高溫升20.2℃。從圖5的軸箱溫升對(duì)比曲線可以看出：更換國(guó)產(chǎn)軸箱軸承后，軸箱最高溫度與溫升均增大，但均在軸承溫度國(guó)標(biāo)報(bào)警參照標(biāo)準(zhǔn)值30℃范圍內(nèi)。

圖4 空載和重載下試驗(yàn)車軸箱最高溫度和溫升

圖5 試驗(yàn)車換裝前后的軸溫對(duì)比

圖6 和圖7給出的是試驗(yàn)車在空載和重載（第11天～12天）試驗(yàn)下軸箱的振動(dòng)及換裝前后軸箱振動(dòng)的對(duì)比情況。從圖6可以看出：試驗(yàn)車空載時(shí)軸箱振動(dòng)的最大值為45.4 g，重載時(shí)振動(dòng)的最大值為47.3 g，均在振動(dòng)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T21563-2008中的許可范圍內(nèi)。從圖7的軸箱振動(dòng)對(duì)比曲線可以看出：更換國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的試驗(yàn)車輛軸箱振動(dòng)的最大值和平均值都有變小。

圖6 空載和重載下試驗(yàn)車的軸箱振動(dòng)

3.2.2 人工測(cè)溫結(jié)果分析

車輛回庫(kù)后，采用紅外測(cè)溫槍人工測(cè)量軸箱溫度，測(cè)量點(diǎn)位于軸箱體外徑最薄處，測(cè)量結(jié)果與溫度報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。圖8給出了空載和重載下試驗(yàn)車1車8組軸箱溫升變化情況，與另外5節(jié)車的軸箱溫升進(jìn)行比較，可以得到：試驗(yàn)車空載時(shí)軸箱最高溫升是15℃，重載時(shí)的最高溫升是24.8℃，均在軸承溫度國(guó)標(biāo)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)值30℃范圍內(nèi)。

圖7 試驗(yàn)車換裝前后軸箱的振動(dòng)對(duì)比

圖8 試驗(yàn)車空載和重載試驗(yàn)下1車8組軸箱的溫升變化

圖 9給出了試驗(yàn)車空載和重載試驗(yàn)下48組軸箱軸承平均溫升變化曲線。從曲線可以看出：空載時(shí)軸箱的平均溫升是11.1℃；重載時(shí)平均溫升是19.95℃。由于試驗(yàn)里程較短，軸承還處在磨合期，軸箱溫升沒(méi)有明顯下降的趨勢(shì)。在試驗(yàn)過(guò)程中軸承沒(méi)有發(fā)生故障，最高溫升沒(méi)有超過(guò)國(guó)標(biāo)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)值。所以，國(guó)產(chǎn)軸箱軸承能夠完全滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)表明，北京地鐵8號(hào)線車輛國(guó)產(chǎn)軸箱軸承潤(rùn)滑性能良好、運(yùn)行平穩(wěn)，總體性能良好，滿足了北京地鐵8號(hào)線地鐵車輛的運(yùn)行要求，也有效降低了車輛維修成本，縮短了同類備件的采購(gòu)周期。后續(xù)將要進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化軸箱軸承10萬(wàn)km的正線運(yùn)行考核，以考察國(guó)產(chǎn)化軸箱軸承是否滿足北京地鐵8號(hào)線地鐵車輛的正線運(yùn)行性能要求。

圖9 試驗(yàn)車空載和重載試驗(yàn)下48組軸箱軸承平均溫升變化

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責(zé)任編輯 方 圓

Localized preparatory manufacture and test of vehicle axle box bearing for Beijing Metro Line 8

WANG Hongyan, LI Xi, ZONG Liming
( Technology Research and Development Centre, Beijing Metro Operation Co., Ltd., Beijing 102208, China )

In order to reduce the maintenance cost of axle box bearing and shorten the axle box bearing purchase period, the localized preparatory manufacture of vehicle axle box bearing for Beijing Metro Line 8 was taken. The main design technical requirements, manufacturing process, life test, performance test and the operation trial of the manufactured axle box bearing were induced. Results of all the tests showed that the vehicle axle box bearing could meet the needs of the running requirements of Beijing Metro Line 8.

metro; vehicle; axle box bearing; localized preparatory manufacture; test

U266.2∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0054-04

2014-12-30

王紅艷，助理工程師；李 熙，高級(jí)工程師。