高速列車牽引電機(jī)軸承潤滑脂的研制及應(yīng)用

王越，李建明，張遂心，曹君慈，毛菁菁

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060；2.中國石油昆侖潤滑檢測(cè)評(píng)定中心，蘭州 730070；3.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044)

高速列車作為現(xiàn)代化的交通工具，具有速度快，運(yùn)量大，安全舒適和清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。鐵路技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)械構(gòu)件性能的提高，牽引電機(jī)軸承作為牽引電動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，承載著轉(zhuǎn)子重量及運(yùn)行中的振動(dòng)和沖擊，列車高速化使軸承轉(zhuǎn)速提高，從而導(dǎo)致軸承振動(dòng)和溫度上升，且牽引電動(dòng)機(jī)要求小型化和輕量化使?jié)櫥昧繙p少，同時(shí)要求檢修周期長，對(duì)潤滑脂壽命提出了更高的要求[1-2]。潤滑脂的質(zhì)量決定了軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)高速列車的安全運(yùn)營起著十分重要的作用。

目前,高速列車牽引電機(jī)軸承使用的潤滑脂均為進(jìn)口脂，其通常會(huì)作為初裝脂與進(jìn)口軸承一起被引進(jìn)，而國內(nèi)研發(fā)的新軸承和潤滑脂很難直接在高速列車上進(jìn)行試驗(yàn)，必須先利用專業(yè)的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行軸承和潤滑脂的可靠性試驗(yàn)與研究。某大學(xué)的NTN臺(tái)架是國內(nèi)唯一可進(jìn)行高速列車牽引電機(jī)軸承耐久性試驗(yàn)的專用設(shè)備，能根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速、軸向和徑向載荷、溫度、潤滑油脂等綜合條件下的試驗(yàn)[3]。利用該軸承試驗(yàn)臺(tái)開展新產(chǎn)品的研制和應(yīng)用研究，對(duì)高速列車牽引電機(jī)軸承潤滑脂的國產(chǎn)化具有重要意義。

1 產(chǎn)品指標(biāo)的確定

牽引電機(jī)軸承主要承受轉(zhuǎn)子軸和聯(lián)軸節(jié)或齒輪作用引起的徑向載荷，高速旋轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)頻繁啟停，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min以上[4]。牽引電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)端采用NU214圓柱滾子軸承，非傳動(dòng)端采用6311深溝球軸承，dmn>5×104mm·r/min，要求潤滑脂必須具有良好的機(jī)械安定性；我國南方夏季軸承運(yùn)行溫度最高可達(dá)100 ℃左右，北方冬季最低氣溫低于-40 ℃，要求潤滑脂既能耐高溫和抗氧化，又可在低溫下保持潤滑性；在規(guī)定的運(yùn)行期(或者運(yùn)行里程)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)免維修[5]，為確保安全性，要求潤滑脂具有長的使用壽命。根據(jù)實(shí)際工況，結(jié)合現(xiàn)用進(jìn)口脂的理化性能分析結(jié)果，制定了新研脂的暫定技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 進(jìn)口脂的典型值和新研脂的目標(biāo)技術(shù)規(guī)范

2 新研脂的制備及理化性能分析

通過大量試驗(yàn)篩選了基礎(chǔ)油和添加劑，并考察對(duì)應(yīng)的制備工藝，形成以復(fù)合鋰皂為稠化劑，聚α烯烴+礦物油為基礎(chǔ)油，并添加抗氧劑、防銹劑、極壓抗磨劑和高效減摩劑的產(chǎn)品配方。同時(shí)，按確定配方和工藝進(jìn)行3次200 kg規(guī)模的中試放大生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)室試樣與中試各批次試樣的理化性能見表2，中試各批次試樣與實(shí)驗(yàn)室試樣性能相差不大，均滿足產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求。與進(jìn)口脂性能相當(dāng)，說明產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，工藝可靠，具有優(yōu)良的機(jī)械安定性、抗氧防腐性及良好的抗磨減摩性能，同時(shí)具有較長的潤滑壽命。

表2 實(shí)驗(yàn)室試樣與中試生產(chǎn)試樣的檢測(cè)結(jié)果

3 高速列車牽引電機(jī)軸承臺(tái)架試驗(yàn)

為考察新研脂與高速列車牽引電機(jī)軸承的適應(yīng)性，在NTN臺(tái)架上模擬標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組時(shí)速385 km/h時(shí)的牽引電機(jī)軸承實(shí)際轉(zhuǎn)速，進(jìn)行高速列車牽引電機(jī)軸承潤滑脂壽命試驗(yàn)，通過急加速試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)確定潤滑脂是否滿足高速列車牽引電機(jī)軸承運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

3.1 試驗(yàn)條件

NTN牽引電機(jī)軸承試驗(yàn)臺(tái)主機(jī)部分配置如圖1所示。試驗(yàn)軸承及潤滑脂用量見表3。

圖1 牽引電機(jī)軸承試驗(yàn)臺(tái)主機(jī)圖

表3 試驗(yàn)軸承型號(hào)及裝脂量

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)方法

NTN臺(tái)架試驗(yàn)分為3個(gè)部分：依次進(jìn)行急加速試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用徑向加載，載荷值為2 400 N。

急加速試驗(yàn)：從靜止快速提高到某一高速，確認(rèn)在急加速時(shí)有無異常發(fā)熱，主要考察軸承和潤滑脂的動(dòng)態(tài)特性(圖2a)。

溫升試驗(yàn)：在軸向和徑向載荷固定的條件下呈階梯狀升高轉(zhuǎn)速，考察軸承在某速度下的溫升，每個(gè)轉(zhuǎn)速的時(shí)間段控制在溫度穩(wěn)定后1 h左右(圖2b)。

耐久性試驗(yàn)：使用同一套軸承，按列車運(yùn)行速度385 km/h(軸承轉(zhuǎn)速5 800 r/min)運(yùn)行12×105km，考察潤滑脂和軸承的耐久性[3](圖2c)。

圖2 NTN臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速譜

試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)深溝球軸承和圓柱滾子軸承的溫度和振動(dòng)，根據(jù)大量的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)專家的建議，將該牽引電動(dòng)軸承試驗(yàn)的溫度限值設(shè)定為100 ℃，振動(dòng)限值設(shè)定為80g(g為重力加速度)，當(dāng)溫度或振動(dòng)超出限值，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)報(bào)警停機(jī)。

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)過程中的潤滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)

3.3.1 急加速試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)

新研脂(中試試樣1)在高速牽引電機(jī)軸承試驗(yàn)臺(tái)上先低速跑合，然后進(jìn)行急加速和溫升試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中的溫度和振動(dòng)(圖3和圖4)，急加速試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)狀態(tài)良好，振動(dòng)和溫度都遠(yuǎn)低于限值，說明新研脂能滿足急加速和溫升試驗(yàn)的潤滑需要。

圖3 急加速試驗(yàn)過程中軸承的溫度和振動(dòng)曲線

圖4 溫升試驗(yàn)過程中軸承的溫度和振動(dòng)曲線

3.3.2 耐久性試驗(yàn)

新研脂的耐久性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，新研脂耐久性試驗(yàn)運(yùn)行了3 121.5 h，實(shí)際運(yùn)行里程超過12×105km，耐久性試驗(yàn)過程中使用新研脂的軸承溫度和振動(dòng)都遠(yuǎn)低于限值，說明新研脂具有極佳的潤滑穩(wěn)定性和可靠性，能夠延長軸承的補(bǔ)脂周期。

圖5 耐久性試驗(yàn)過程中軸承的溫度和振動(dòng)曲線

3.4 試驗(yàn)完成后的軸承拆解

對(duì)新研脂耐久性試驗(yàn)后的6311軸承和NU214軸承零件表面形貌和熱處理質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，新研脂耐久性試驗(yàn)后軸承的拆解狀態(tài)如圖6所示，NU214軸承保持架完好，內(nèi)圈基本無磨痕、無變色；6311軸承保持架只有輕微變色，外圈溝道面基本無磨痕。

圖6 新研脂耐久性試驗(yàn)后軸承拆解狀態(tài)

采用洛氏硬度計(jì)分別對(duì)新研脂耐久性試驗(yàn)后軸承的內(nèi)外圈、滾動(dòng)體進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見表4，套圈硬度均符合GB/T 34891—2017《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》中200 ℃回火的要求(59～64 HRC)，滾動(dòng)體均符合常規(guī)回火后硬度要求(61～66 HRC)。

表4 耐久性試驗(yàn)后軸承零件硬度檢測(cè)結(jié)果

耐久性試驗(yàn)后軸承零件的顯微組織經(jīng)切割、磨制、拋光后在金相顯微鏡下觀察，其檢驗(yàn)結(jié)果見表5，均滿足GB/T 34891—2017的要求。

表5 耐久性試驗(yàn)后軸承零件顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果

綜上可知，新研脂經(jīng)過3 000多小時(shí)的耐久性試驗(yàn)后,軸承狀態(tài)依然良好，仍能繼續(xù)使用。

4 結(jié)論

通過在NTN高速牽引電機(jī)軸承試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)新研脂進(jìn)行急加速試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和12×105km的耐久性試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)新研脂綜合性能優(yōu)異，臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行期間軸承保持較低的溫升和振動(dòng)幅度，表現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑穩(wěn)定性和極長的壽命，通過了高速列車牽引電動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。

2)耐久性試驗(yàn)后軸承套圈、滾動(dòng)體的硬度和顯微組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；軸承運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡正常，整體無偏載；軸承零件色澤正常，未見燒傷組織，說明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中潤滑良好。