設(shè)計(jì)速度120 km/h的城市軌道交通車輛軸箱軸承延長維修周期研究

趙偉龍 鄭 玄

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 510145， 廣州∥第一作者， 工程師)

根據(jù)城市軌道交通車輛維修手冊(cè)的一般要求，地鐵車輛一般每隔5年或每運(yùn)行60萬km需要開展一次架修或大修。在2005年之前，國內(nèi)城市軌道交通車輛的設(shè)計(jì)速度主要以80 km/h為主，車輛運(yùn)營里程和時(shí)間周期通常能夠形成良好的匹配。但隨著城市的擴(kuò)張、人員和產(chǎn)業(yè)的外移，更高速度的城市軌道交通車輛逐步投入運(yùn)營。廣州地鐵3號(hào)線是國內(nèi)最早采用120 km/h設(shè)計(jì)速度車輛的城市軌道交通線路，該型車輛軸承采用的是BT2-8670-01軸承。因列車的高速特性，導(dǎo)致車輛運(yùn)營里程上升非常迅速，運(yùn)行3年甚至更短時(shí)間即達(dá)到60萬km，車輛運(yùn)營里程與時(shí)間無法形成良好匹配。列車維修也十分頻繁，這造成車輛的可用性低和維修的經(jīng)濟(jì)性差。而車輛的軸箱軸承作為列車安全可靠運(yùn)行的核心部件，是限制車輛能否延長維修里程和周期的關(guān)鍵。本文通過分析BT2-8670-01軸承早期由缺陷及油脂參數(shù)，開展了延長軸箱軸承維修周期的研究，為車輛維修周期優(yōu)化提供依據(jù)。

1 BT2-8670-01軸承介紹

BT2-8670-01軸承是由SKF(瑞典滾珠軸承制造公司)的北京南口斯凱孚鐵路軸承公司生產(chǎn)的雙列圓錐滾子軸承，主要是為國內(nèi)設(shè)計(jì)速度120 km/h的城市軌道交通車輛研發(fā)的，為整體自密封結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)及裝配方式如圖1所示。該軸承設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了城市軌道交通車輛的運(yùn)用特點(diǎn)，保持架采用塑鋼材質(zhì)，發(fā)生碎裂故障時(shí)保持架能起到短時(shí)潤滑作用，保證車輛能夠運(yùn)行至存車線或廠段，以減少對(duì)正線的影響。該型號(hào)軸承目前已經(jīng)在上海、深圳、武漢、長沙和南寧等城市的地鐵車輛上廣泛使用。

2 BT2-8670-01軸承的運(yùn)用狀態(tài)分析

2.1 軸承運(yùn)用及維修總體概況

軸承的運(yùn)用主要參考SKF的使用建議，在維修周期內(nèi)免維護(hù)，日常主要通過檢查軸箱溫度變化來判斷內(nèi)部軸承狀態(tài)。在軸承運(yùn)用60萬～80萬km時(shí)，需要進(jìn)行退卸，并返廠檢查維修。其中對(duì)檢查合格的軸承，重新組裝后繼續(xù)裝車使用；對(duì)存在初期缺陷的軸承，不再繼續(xù)使用。通常，在200萬km壽命期內(nèi)維修次數(shù)不超過2次。

注：1——軸箱；2——軸承內(nèi)圈內(nèi)環(huán)；3——軸承外圈；4——滾子保持架；5——調(diào)整隔環(huán)；6——軸承滾子；7——密封罩；8——軸箱外端蓋；9——軸承擋板；10——擋板固定螺釘；11——外端蓋安裝螺栓；12——密封圈；13——內(nèi)端蓋安裝螺栓；14——定距環(huán)；15——定距環(huán)座；16——輪軸；17——軸箱內(nèi)端蓋。

自2005年廣州地鐵第1批BT2-8670-01軸承裝車上線運(yùn)營以來，均未出現(xiàn)過因軸承本身原因引起的在線故障。軸承故障全部為在返廠檢查維修過程中發(fā)現(xiàn)的早期缺陷。

2.2 軸承主要缺陷形式

對(duì)2012年9月至2017年12月返廠檢查維修的4 273套軸承中發(fā)現(xiàn)的211項(xiàng)早期缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，軸承的主要缺陷形式、占比和主要原因如表1所示。

2.3 軸承早期缺陷發(fā)生率分析

對(duì)2010年至2017年送檢的4 678套軸承的早期缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，第1次送檢和第2次送檢軸承的早期缺陷發(fā)生率與運(yùn)營里程的對(duì)應(yīng)情況如表2所示。

在現(xiàn)維修周期下，軸承的早期缺陷發(fā)生率暫未呈現(xiàn)出隨運(yùn)營里程增加而增加的態(tài)勢(shì)。

第2次送檢中，90萬～100萬km運(yùn)營里程范圍的軸承早期缺陷率較高，主要是在該運(yùn)營里程范圍內(nèi)送檢軸承的基數(shù)較少，樣本相對(duì)缺乏；130萬～140萬km運(yùn)營里程范圍的軸承早期缺陷率高，主要是因?yàn)閭€(gè)別列車的車輛軸箱裝配密封不良導(dǎo)致軸承銹蝕較多。

其中，第1次送檢的平均早期缺陷發(fā)生率約為4.58%，第2次送檢的平均早期缺陷發(fā)生率約為6.11%。因軸承在第2次送檢時(shí)，已經(jīng)在首次維修過程中對(duì)有缺陷的軸承予以報(bào)廢處理，所以6.11%僅代表第2次維修的早期缺陷發(fā)生率。一批軸承在運(yùn)用周期內(nèi)兩次送檢的綜合早期缺陷發(fā)生率S可按式(1)計(jì)算：

表1 軸承早期缺陷各種形式的占比及引起缺陷的主要原因

S=S1+S2(1-S1)

(1)

式中：

S1——軸承第1次送檢的早期缺陷發(fā)生率；

S2——軸承第2次送檢的早期缺陷發(fā)生率。

表2 軸承送檢的早期缺陷發(fā)生率與運(yùn)營里程的對(duì)應(yīng)情況

按式(1)進(jìn)行綜合計(jì)算，則各運(yùn)營里程范圍內(nèi)軸承兩次送檢的綜合早期缺陷發(fā)生率如表3所示。

表3 兩次送檢軸承綜合早期缺陷發(fā)生率

3 延長軸承維修周期研究

3.1 研究方法

因軸承的維修周期受軌道狀態(tài)、車輛運(yùn)用條件、載客量和外部環(huán)境等多種因素疊加影響，暫無精確的計(jì)算方法。本次研究主要通過實(shí)踐的方式對(duì)軸承的維修周期進(jìn)行逐級(jí)提升驗(yàn)證。具體方法如下：

1) 選取部分列車，在加強(qiáng)日常檢查的基礎(chǔ)上(檢查軸箱溫度)，使軸承的連續(xù)運(yùn)營里程突破80萬km，但不超過100萬km，將軸承退卸后返廠檢查，對(duì)比原運(yùn)用周期軸承的綜合早期缺陷發(fā)生率與報(bào)廢原因，并抽檢測(cè)油品狀態(tài)；

2) 選取部分列車，對(duì)軸箱軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，使軸承的連續(xù)運(yùn)營里程分別達(dá)到110萬km和120萬km，將軸承退卸后返廠檢查，對(duì)比原運(yùn)用周期軸承的綜合早期缺陷發(fā)生率與報(bào)廢原因，并抽檢測(cè)油品狀態(tài)。

3.2 研究情況

3.2.1 軸承運(yùn)用及檢修情況

本項(xiàng)目選取了500套軸承，其中413套軸承的運(yùn)營里程在80萬～100萬km，87套軸承的運(yùn)營里程在100萬～120萬km。

整個(gè)研究過程中，所有軸承未出現(xiàn)過在線故障或異常表象，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未出現(xiàn)報(bào)警。

各運(yùn)營里程范圍的軸承早期缺陷發(fā)生率如表4所示。

表4 研究樣本中軸承早期缺陷發(fā)生率

所研究軸承均為從0 km啟用。本次返廠也均為首次送檢，所以早期缺陷發(fā)生率即為其綜合早期缺陷發(fā)生率。從表4與表3的對(duì)比可知，軸承連續(xù)運(yùn)用至110萬km以下時(shí)，各運(yùn)營里程范圍內(nèi)的軸承綜合早期缺陷發(fā)生率均未超過按原維修周期送檢的綜合早期缺陷發(fā)生率。由此可以說明，將軸箱軸承的維修周期從80萬km延長至110萬km，軸承并未出現(xiàn)狀態(tài)惡化。

當(dāng)軸箱軸承連續(xù)運(yùn)用達(dá)到120萬km時(shí)，軸承早期缺陷率明顯攀升，早期缺陷發(fā)生率達(dá)14.58%，相較原維修周期相同運(yùn)營里程范圍的綜合早期缺陷發(fā)生率提升了2倍?？呐鰝惓Ｗ顬橥怀?，或因運(yùn)用過程中造成了異常沖擊，也不排除送修過程中造成了磕碰。

3.2.2 軸承油脂分析

除軸承的主體結(jié)構(gòu)部件，軸承油脂狀態(tài)也是決定軸承能否延長運(yùn)用的關(guān)鍵因素。該軸承所用油脂的主要成分為合成油和鋰基稠化劑，新鮮油脂的含水量不超過0.2%，稠度范圍為(265～296)×0.1 mm，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.002%，全新軸承加油量控制在180±20 g范圍內(nèi)。本次研究分別選取了運(yùn)營里程80萬km的軸承5套、110萬km和120萬km的軸承各12套，對(duì)其油脂成分、含水量、稠度、鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和油脂質(zhì)量等5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行理化分析。每個(gè)軸承均從內(nèi)測(cè)密封罩(A)、外側(cè)密封罩(B)和內(nèi)圈(C)3個(gè)部位提取油樣。油脂的各項(xiàng)參數(shù)分析結(jié)果如表5所示。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN 12082)的要求，稠度范圍為(200～380)×0.1 mm，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為:C處小于0.5%,A、B處小于1.0%。

表5 軸承油脂各項(xiàng)參數(shù)分析結(jié)果

對(duì)油脂的分析結(jié)論如下：

1) 抽檢的連續(xù)運(yùn)用至80萬～120萬km的軸承，其添加劑有輕微消耗，屬于正常現(xiàn)象，不影響軸承正常使用;抽檢的連續(xù)運(yùn)用至110萬km的軸承，添加劑無變化。

2) 抽檢的部分軸承含水量超出新油控制標(biāo)準(zhǔn)，但油脂無乳化、變色等異常情況，對(duì)于運(yùn)用后軸承，屬于正常含水量。

3) 油脂樣品稠度隨著運(yùn)營里程的增加有變硬的情況，其程度仍在標(biāo)準(zhǔn)及可接受范圍。

4) 油脂樣品鐵元素分析顯示，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所上升，但未超出標(biāo)準(zhǔn)值，表明軸承內(nèi)部磨損正常。

5) 所有軸承的油脂質(zhì)量均在新鮮油脂的控制范圍以內(nèi)，軸承的延長運(yùn)用未造成油脂的過量消耗。

3.3 研究結(jié)論

對(duì)連續(xù)運(yùn)用至80萬km、110萬km、120萬km的軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)跟蹤，軸承運(yùn)用過程中未出現(xiàn)高溫、報(bào)警等早期缺陷；經(jīng)對(duì)軸承分解檢查，當(dāng)連續(xù)運(yùn)用至110萬km以下時(shí)，軸承早期缺陷發(fā)生率相對(duì)原維修周期綜合早期缺陷發(fā)生率并無增加，運(yùn)用至120萬km后，因磕碰傷導(dǎo)致軸承早期缺陷發(fā)生率有明顯攀升；軸承油脂狀態(tài)均無異常。

4 結(jié)語

根據(jù)以上各項(xiàng)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)速度120 km/h的城市軌道交通車輛上所用的BT2-8670-01軸承，理論上可將其維修周期延長至110萬km運(yùn)營里程，結(jié)合其他部件的運(yùn)用狀態(tài)，可適當(dāng)調(diào)整車輛的運(yùn)營里程周期，可使車上與車下部件的維修周期更加均衡;同時(shí)，因維修周期的延長，在車輛全壽命周期內(nèi)，預(yù)期可以減少車輛維修次數(shù)約25%，可實(shí)現(xiàn)維修成本的大幅降低。