城軌車輛齒輪箱軸承國產(chǎn)化現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

咼如兵，許濤濤，劉煥偉，李俊強，楊冰

(1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；3.上海人本集團軸承技術(shù)研發(fā)有限公司，上海 201411)

齒輪箱軸承是城軌車輛傳動系統(tǒng)的核心零部件，其安全可靠運行是城軌車輛安全運行的保證?；诔擒壾囕v齒輪箱軸承的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，重點分析了齒輪箱軸承國產(chǎn)化的可行性和發(fā)展方向。

1 城軌車輛齒輪箱軸承應(yīng)用現(xiàn)狀

城市軌道交通發(fā)展水平是衡量一個城市發(fā)展水平的重要標準。截至2021年9月，我國城軌交通運營城市達49個，運營里程達8 553 km，城軌交通車輛保有量近50 000輛，城軌車輛齒輪箱軸承全部依賴進口，包括SKF,NSK,Schaeffler,TIMKEN[1-2]。進口軸承的長期壟斷嚴重影響我國軸承行業(yè)的發(fā)展，高昂的軸承價格也增加了車輛的整體運行成本。

改革開放40余年來，我國軸承行業(yè)秉持引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的發(fā)展方向，取得了長足的進步，國產(chǎn)軸承在貨車和普速列車的使用占比逐年提高。城市軌道車輛對于齒輪箱軸承可靠度要求極高，軸承的檢修周期最高達160×104km。隨著城軌交通運營里程的增加，車輛檢修成本逐年提升，進口城軌車輛齒輪箱軸承價格高昂且供貨周期不能保證，國產(chǎn)化勢在必行。

2 城軌車輛齒輪箱軸承國產(chǎn)化技術(shù)

城軌車輛齒輪箱軸承具有轉(zhuǎn)速高，承載能力強，壽命長，可靠性高，振動噪聲小，摩擦力矩低，耐極端工況能力強等特點[3]，其國產(chǎn)化對軸承企業(yè)提出了嚴格的技術(shù)要求。城軌車輛齒輪箱通常為一級傳動，軸承包括輸入軸軸承和輸出軸軸承，常見的配置形式如圖1所示。常用的齒輪箱軸承包括圓柱滾子軸承、四點接觸球軸承和圓錐滾子軸承，如圖2所示。

圖1 城軌車輛齒輪箱常見配置形式

圖2 城軌車輛齒輪箱常用軸承

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過優(yōu)化設(shè)計可以提升軸承可靠性，城軌車輛齒輪箱軸承優(yōu)化設(shè)計包括結(jié)構(gòu)強化和局部優(yōu)化。

國外城軌車輛齒輪箱運行過程中多次出現(xiàn)軸承保持架斷裂，如圖3所示，分析原因為齒輪箱軸承承受軌道的沖擊載荷和齒輪的嚙合載荷，輪軌沖擊過大。通過增加保持架板厚、梁寬、壓坡深度，采用一體式保持架和高強度保持架材料等措施，可提高保持架抗沖擊能力。

圖3 齒輪箱軸承保持架斷裂示意圖

對于圓柱滾子軸承：通過優(yōu)化滾子基面與套圈擋邊的接觸狀態(tài)(圖4)，可改善滾子基面與擋邊的潤滑狀態(tài)，降低滑動摩擦及溫升，提高軸承承載能力和運轉(zhuǎn)可靠性。

圖4 圓柱滾子軸承外圈優(yōu)化設(shè)計

對于四點接觸球軸承：優(yōu)化溝道密合度和溝邊角，可降低高速工況下軸承的溫升和振動；對保持架進行輕量化設(shè)計可以改善軸承潤滑條件，降低軸承噪聲。

對于圓錐滾子軸承：優(yōu)化內(nèi)圈擋邊及滾子基面結(jié)構(gòu)，可改善軸承潤滑條件，降低滑動摩擦及溫升；滾子采用對數(shù)修形(圖5)，可有效減少軸承接觸區(qū)應(yīng)力集中，提高可靠性,還可以提高滑滾比，有利于提高軸承極限轉(zhuǎn)速；軸承內(nèi)外圈滾道采用超精研加工技術(shù)，可去除滾道凸起尖峰，降低滾子與滾道的滾動摩擦和溫升。

圖5 圓錐滾子凸度優(yōu)化設(shè)計

軸承優(yōu)化設(shè)計后，額定工況下齒輪箱輸入和輸出軸軸承理論計算壽命均超過250×104km，部分軸承理論計算壽命超過1 000×104km，滿足了城軌車輛齒輪箱軸承的設(shè)計要求。

2.2 材料

城軌車輛齒輪箱軸承套圈常用材料為GCr15軸承鋼，滾子常用材料為G20CrNi2MoA滲碳鋼，冶煉方式主要為電渣重熔和真空脫氣。日系軸承鋼采用真空脫氣冶煉工藝，歐系軸承鋼采用電渣重熔和真空脫氣冶煉工藝。隨國內(nèi)特種鋼冶煉水平的提升，通過潔凈鋼冶煉、連鑄保護渣、惰性氣體保護氣氛電渣冶煉、大規(guī)格電渣錠冶煉技術(shù)，與國外同型號產(chǎn)品的差距逐步減少。國內(nèi)外軸承鋼成分控制指標見表1，部分指標已優(yōu)于進口軸承鋼。

表1 國內(nèi)外軸承鋼材料成分控制指標

部分鋼企的真空脫氣高碳鋼和電渣重熔滲碳鋼的接觸疲勞壽命已達4.9×107次和2.5×107次，達到進口軸承鋼水平。同時通過控制氣體元素(O，H)、微觀夾雜物、碳化物等關(guān)鍵指標，增加夾雜物定量分析、金屬原位分析、碳化物定量分析等全面檢測純凈度和均質(zhì)性，國內(nèi)高品質(zhì)軸承鋼已達到特級優(yōu)質(zhì)鋼水平，可以應(yīng)用于城軌交通產(chǎn)品。

城軌車輛齒輪箱軸承保持架材料差異較大，國外軸承企業(yè)考慮到工藝和成本，輸入軸軸承保持架材料多為ZCuZn40Pb2黃銅，屈服強度大于120 MPa，國內(nèi)軸承企業(yè)開發(fā)了ZCuAl10Fe3Mn2鋁青銅，屈服強度高于200 MPa。國外輸出軸軸承保持架材料多為08Al沖壓鋼，屈服強度大于200 MPa，國內(nèi)開發(fā)了S355MC高強度沖壓鋼，屈服強度大于355 MPa，部分采用QSTE380TM沖壓鋼，屈服強度大于380 MPa。

2.3 加工設(shè)備

軸承制造工藝主要包括套圈鍛造、車加工、熱處理、粗磨、精磨、探傷和裝配等[5]。熱處理、套圈磨加工、滾道超精研加工和滾動體加工是軸承生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序。目前部分軸承企業(yè)的關(guān)鍵工序加工設(shè)備全部采用國際先進設(shè)備，例如：熱處理使用愛協(xié)林轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)滲碳、碳氮共滲以及貝氏體等溫淬火等；套圈磨加工使用TOYO或NOVA磨床，內(nèi)外圓圓度加工精度可達3 μm，內(nèi)外圈滾道表面粗糙度Ra值最高可達0.08 μm；滾子超精研加工采用MIKROSA機床，圓度可達0.4 μm，表面粗糙度Ra值最高可達0.06 μm。

2.4 質(zhì)量管理體系

隨著鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，軸承企業(yè)間競爭與日俱增。鐵路客戶對軸承供應(yīng)商要求更加嚴格，包括綜合競爭能力、可靠的車輛運輸方案和設(shè)施以及運營設(shè)備[6-7]。為適應(yīng)鐵路裝備的可靠性要求，2006年歐洲鐵路工業(yè)聯(lián)合會提出國際鐵路行業(yè)標準(簡稱IRIS 標準)，得到了全球部分鐵路企業(yè)的認可。

目前軌道交通裝備企業(yè)廣泛采用ISO/TS 22163：2017“Rail Transit Industry Quality Management System”管理體系，該體系是基于IRIS 鐵路行業(yè)的質(zhì)量管理體系發(fā)展起來的，主要關(guān)注點是如何有效降低選擇供應(yīng)商的風(fēng)險和提高整個鐵路行業(yè)的運行效率。

國內(nèi)通過ISO/TS 22163 管理體系認證的軸承企業(yè)包括瓦軸、洛軸、上海聯(lián)合滾動和天馬等，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鐵路貨車、鐵路客車、大功率機車和城軌車輛。

通過完善的質(zhì)量管理體系，軸承質(zhì)量原因?qū)е碌臒彷S故障率大幅降低，已達國際先進水平。以瓦軸為例，在軸承生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)可視化管理，設(shè)備點檢標準文件、檢測儀器開工校驗標準和作業(yè)指導(dǎo)書可視化，可操作性強。所有軸承產(chǎn)品推行批次管理，內(nèi)外圈標注批次標識，實現(xiàn)產(chǎn)品可追溯。裝配過程中對每套軸承單獨編碼，裝配過程數(shù)據(jù)全部錄入系統(tǒng)，記錄所有成品軸承檢測結(jié)果、零件的批次號和供應(yīng)商等信息，每套軸承的加工信息全程可追溯。推行關(guān)鍵工序影像監(jiān)控管理，確保關(guān)鍵工序員工操作行為符合規(guī)范要求。制定《完善自控、互控、?？貦C制實施方案》，確保生產(chǎn)過程的自控(操作者自檢)、互控(下工序?qū)ι瞎ば虻尿炇?、專控(檢查員巡檢)。建立質(zhì)量管控信息化平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息可追溯查詢，從原材料入廠驗收到產(chǎn)品出廠全過程的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)自動采集、上傳和統(tǒng)計，實現(xiàn)了數(shù)字化、信息化管理。

2.5 試驗體系

齒輪箱軸承裝車前需經(jīng)過嚴格的試驗驗證，包括軸承臺架試驗和齒輪箱臺架試驗。目前國內(nèi)外沒有城軌車輛齒輪箱軸承臺架試驗標準和行業(yè)標準，戚墅堰所根據(jù)城軌車輛齒輪箱運行特點和試驗經(jīng)驗制定了城軌車輛齒輪箱軸承臺架試驗企業(yè)標準。輸入軸圓柱滾子軸承和四點接觸球軸承參考TB/T 3017.2—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第2部分：牽引電機軸承》和TB/T 3017.3—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第3部分：抱軸箱滾動軸承》，輸出軸圓錐滾子軸承參考TB/T 3017.1—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第1部分：軸箱滾動軸承》和TB/T 3017.3。軸承試驗機原理如圖6所示。

圖6 滾動軸承壽命試驗機示意圖

軸承臺架試驗是驗證軸承運行性能和承載能力的直接方式，主要考核軸承熱性能和耐久性能，驗證軸承運行發(fā)熱、平衡性能及壽命性能。目前城軌車輛齒輪箱軸承要求完成至少60×104km耐久試驗，部分型號要求80×104km耐久試驗。

齒輪箱臺架試驗通常按照主機企業(yè)與齒輪箱生產(chǎn)企業(yè)簽訂的試驗大綱執(zhí)行，主要包括跑合試驗、油位油量試驗、齒輪箱傾斜試驗、低溫啟動試驗、高溫試驗、額定轉(zhuǎn)速加載試驗、最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗、最大啟動扭矩加載試驗、疲勞試驗等，驗證軸承在多工況下的運行性能。

3 試驗對比分析

為對比國產(chǎn)軸承和進口軸承性能的差異，分別將國產(chǎn)軸承與進口軸承安裝于某型號城軌車輛齒輪箱開展臺架試驗。分別進行低溫啟動試驗、疲勞試驗、最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗和高溫試驗，工況參數(shù)見表2。齒輪箱臺架試驗主要監(jiān)測軸承溫度，分別測量輸入軸車輪側(cè)(PW)、輸入軸電動機側(cè)(PM)、輸出軸車輪側(cè)(GW)、輸出軸電動機側(cè)(GM)和潤滑油(OIL)的溫度，測點如圖7所示。每組試驗中國產(chǎn)軸承和進口軸承分別取4套，測量正、反轉(zhuǎn)工況下各測點最高溫度，取平均值，結(jié)果見表3—表6。

表2 齒輪箱臺架試驗工況參數(shù)

圖7 齒輪箱溫度測點分布圖

表3 低溫啟動試驗軸承最高溫度

表4 疲勞試驗軸承最高溫度

表5 最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗軸承最高溫度

表6 高溫試驗軸承最高溫度

由表3—表6可知：

1)對于低溫啟動試驗，正轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低27.0，28.3，4.0，-1.0，2.7 ℃，反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL測點平均最高溫度分別比進口軸承低23.0,23.9,2.5,7.4,1.7 ℃；

2)對于疲勞試驗，正轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低3.8，3.7，5.9，8.3，8.2 ℃，反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL測點平均最高溫度分別比進口軸承低4.6，3.6，6.8，7.9，10.5 ℃；

3)對于最高設(shè)計轉(zhuǎn)速加載試驗，正轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低2.3，-0.4，3.5，4.7，6.0 ℃，反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低1.3，-1.3，1.6，2.9，5.5 ℃；

4)對于高溫試驗，正、反轉(zhuǎn)工況下國產(chǎn)軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低10.5，12.1，13.5，11.9，11.3 ℃；

5)4種試驗中國產(chǎn)軸承大部分測點溫度低于進口軸承。

目前城軌列車齒輪箱軸承的更換周期約為120×104km，近期計劃將更換周期延長至160×104km，為考核國產(chǎn)軸承耐久性，對齒輪箱軸承進行了240×104km耐久試驗，以輸出端軸承為例，軸承耐久試驗加載參數(shù)見表7，試驗臺具備溫度及振動報警功能，實時記錄2套試驗軸承的溫升。

表7 軸承耐久試驗加載參數(shù)

耐久試驗每個試驗循環(huán)測得軸承溫度均被實時記錄，由于試驗里程過長，只展示部分運行區(qū)段的最高有效溫度和最高溫升，如圖8所示：1#，2#軸承的最高有效溫度分別為69.5，70.9 ℃，1#，2#軸承的最高溫升分別為49.5，50.9 ℃。由于進口軸承未開展耐久試驗，無法對比，但從國產(chǎn)軸承耐久試驗溫度可以看出國產(chǎn)軸承最高溫度正常，試驗過程中溫度無異常波動。

圖8 耐久試驗輸出端軸承溫度

拆解耐久試驗后的軸承，如圖9所示，整體外觀正常，各零件未發(fā)現(xiàn)明顯異常，旋轉(zhuǎn)靈活。試驗后的潤滑油分析未發(fā)現(xiàn)Fe元素超標。

圖9 耐久試驗后輸出端軸承拆解圖

綜上試驗分析可知：國產(chǎn)軸承性能可滿足城軌車輛齒輪箱軸承的設(shè)計要求。

4 發(fā)展趨勢

軌道車輛對于安全性要求極高，國產(chǎn)、高精度軸承大批量制造能力和試驗數(shù)據(jù)分析能力與國際一流企業(yè)還存在一定差距，國內(nèi)軸承企業(yè)還需重點開展以下研究：

1)提高軸承設(shè)計和仿真分析能力，進一步加強人才培養(yǎng)和技術(shù)積淀。

2)開展城軌車輛齒輪箱軸承的大批量應(yīng)用技術(shù)研究，保證軸承鋼原材料品質(zhì)和高精度軸承的批量一致性。

3)持續(xù)開展大批量的軸承臺架試驗、齒輪箱臺架試驗和裝車考核試驗，積累試驗數(shù)據(jù)并進行分析。

通過不斷的技術(shù)積累及試驗研究，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)我國城市軌道交通的運營工況，最終提出適合國內(nèi)運營條件的軸承技術(shù)標準，為后續(xù)城軌車輛齒輪箱軸承的國產(chǎn)化提供技術(shù)支持。