舍弗勒大中華區

黃星，徐鏡峰，張建昌，周國

【摘　要】本文介紹了國內高速動車組軸箱軸承特點及其運用挑戰，總結了中國高速動車組列車在維修周期間隔延長，運營速度提升至400km/h或更高及更高的運營安全和可靠性方面的需求。基于這些市場需求，以舍弗勒集團技術發展和創新方向，提出了軸箱軸承的4個優化方向，希望能對軸承行業的同行起到一定的參考和借鑒作用。

【關鍵詞】時速400公里；免維護；市場需求；研發方向

0　前言

中國高鐵經歷了全面引進并消化吸收加拿大龐巴迪、日本川崎重工、法國阿爾斯通、德國西門子的高鐵技術的過程，并在此基礎上進行自主創新和自主研發，成功開發出了領先世界的高鐵動車組技術平臺。

2017年6月我國自主研發、具有完全自主知識產權、運營時速達350km的中國標準動車組“復興號”誕生。僅僅時隔一年半，覆蓋時速160km的CR200、時速250km的CR300和時速350km的CR400全營運速度等級的“復興號”家族全面上線，在整體技術指標上，“復興號”動車組保持著世界先進水平，未來將逐漸接替以前的各種動車組。自2005年中國高鐵動車組研制生產起至今，復興號的誕生是中國高鐵創新發展之路的一個縮影。伴隨著高速鐵路的快速發展，對高速動車組的性能要求也越來越高，時速400km及更高的高鐵車輛研發勢在必行。軸箱軸承作為列車走行部件中Z重要、Z關鍵的核心部件，直接關系到車輛的運行安全，對其研究具有重大的意義[1-2]。

軸箱軸承是高速動車組的重要組成部件之一，實現輪對高速旋轉運行的同時需承受整個車輛的車體重量及載重，還需承受運行中車輛搖擺產生的各個方向的力。除了承受靜態及動態徑向載荷外，還承受非恒定的軸向載荷。如CRH380A型車，單個軸箱軸承徑向載荷約90kN，軸向載荷約20kN。軸箱軸承的可靠性對列車安全運行起著至關重要的作用。目前世界上應用于高速動車組領域的軸箱軸承主要有圓錐滾子軸承（如圖1所示）和圓柱滾子軸承（如圖2所示）。圓柱滾子軸承曾在德國 ICE、日本新干線等速度 300 km/h以下的動車組上應用，而我國 CRH 系列高速動車組軸箱軸承前期均采用圓錐滾子軸承，從 2009 年起通過 4年的圓柱滾子軸承研制開發、試驗驗證，于 2013 年開始實現在我國 CRH 系列高速動車組上批量應用[3]。表1為兩種軸箱軸承的特點，圓柱滾子軸承單元除軸向承載能力一般外，在徑向承載能力、極限轉速、保持潤滑能力和摩擦與溫升方面均優于圓錐滾子軸承單元。

*1在相同軸承尺寸下，圓柱滾子軸承額定靜載荷比圓錐滾子軸承高10%以上。

*2圓錐滾子軸承是靠其具有一定壓力角的滾子承受軸向力，套圈的擋邊僅承受約20% 的軸向力，而圓柱滾子軸承則依靠套圈的擋邊承受全部的軸向力。

*3圓柱滾子軸承的內部結構決定了其自轉與公轉的一致性，其內部摩擦小于圓錐滾子軸承，因此圓柱滾子軸承能夠達到更高的轉速，其溫升也更小。

*4圓柱滾子軸承由于其對稱結構關系而不會產生“泵吸效應”，高速運轉過程中潤滑脂不會從軸承中部被推向兩側密封處，因此具有較好的潤滑脂保持能力。

1　中國高速動車組軸箱軸承的特點

目前，中國高鐵動車組軸箱軸承全部為進口，主要由瑞典的斯凱孚（SKF）、德國的舍弗勒（FAG）、日本的恩斯克（NSK）和恩梯恩（NTN）供應。這些公司都對高速鐵路用軸承進行了非常系統的研究。表2為動車組軸箱軸承在階段技術引進，第二階段部分自主創新，第三階段完全自主創新、自主設計研發制造的具體配置情況。

在軸承的結構設計方面，SKF公司將有限元解析方法FEM運用到軸箱軸承設計中，開發出緊湊型圓錐滾子軸承組件TBU，組件內還裝有監測速度及軸承狀態的傳感器[5]；類似的結構設計還包括FAG公司的TAROL軸承[6]及NSK的UNIT軸承。在保持架方面，FAG公司開發的圓柱滾子軸承CRBU，其保持架選用聚酰胺材料，與層狀環形結構的密封緊密配合，并使用添加了極壓添加劑的特種鋰皂潤滑脂，使其使用壽命可達到3000000km[7]；NTN公司采用保持架運動動態分析和先進的有限元分析設計方法開發出的塑料保持架，壽命達到普通材料的3倍以上[7]。在材料方面，目前國外對夾雜物均勻化技術（IQ鋼）、超高純軸承鋼（EP鋼）的真空脫氣冶煉技術、超長壽命鋼技術（TF鋼）進行系統深入的研究，提高了軸承鋼的使用壽命[8]。在潤滑與密封方面，SKF公司開發的緊湊型圓錐滾子軸承帶有內置式輕接觸密封，其以低摩擦橡膠密封的機理為基礎，將迷宮式密封、唇形密封、拋油板零件組合使用，可靠地隔離了污染，實現了潤滑脂的長壽命化與節能。軸承設計中取消了密封座和襯墊，密封件內置于軸承內、外圈中間，節省了空間，抑制了車軸彎曲。在內圈與后蓋的配合面上設計有聚合物襯墊，避免了金屬與金屬之間的摩擦腐蝕導致的軸向間隙增大，從而阻止異物進入軸承[5]。在制造方面，國外軸承企業已經解決了高鐵軸承的熱處理和制造難題，軸承普遍達到P4級精度，一些關鍵位置精度達到P2級[8]。

保證動車組的高速運行穩定性，需要軸箱軸承緊湊化設計。多數車型都采用脂潤滑免維護的密封式雙列圓錐滾子軸承[9]，如FAG的TAROL軸承，NSK的UNIT軸承，既承受徑向載荷，也承受軸向載荷，且滿足結構緊湊及輕型化要求。密封形式分為接觸式密封、輕接觸式密封和非接觸式密封。因軸箱軸承自帶密封裝置，故出廠時已封裝鐵路特殊潤滑脂，保證了免維護要求。軸承內置有中隔圈，可實現軸承預調，簡化了安裝游隙和預緊的調整，大大方便安裝使用。

2　中國高速動車組軸箱軸承運用挑戰

中國高速鐵路與國外相比，具有長交路、更高營業速度、橋梁隧道多的新特點[6]，這些客觀因素使得動車組在運用過程中遇到了一些新問題，主要表現為部分軸承內外圈滾道及滾子剝落、保持架故障、密封故障、油脂狀態異常、軸承高溫等，截至2019年底，根據各鐵路局反饋的故障數據，總運用軸承總數約22萬套，故障軸承約550套，故障率約0.25%。

溫升是監測軸箱軸承故障的重要指標，分析包括列車運行速度、軸箱軸承承受的載荷等服役條件對軸箱軸承溫升的影響度，據此改善軸箱軸承服役條件，降低軸箱軸承故障發生率，是保障列車安全運營迫切需要解決的問題，同時，對高速動車組修程修制具有重要的指導意義。載荷和速度都會直接影響高速動車組軸溫，載荷的增大和速度的提高都會引起高速動車組軸溫的升高。相比載荷變化，速度變化引起的溫升變化更劇烈[10]，速度對軸承溫度的影響更加明顯。表3為軸箱軸承的主要損傷故障分析。

由表3可知，分析軸箱軸承的損傷故障原因，需從使用、軸承周邊、潤滑、載荷、轉速、軸承本體等方面著手，綜合考慮各種因素，找到主要原因，采取針對性對策。

當前中國高速動車組列車有如下三方面需求：

1）自2019年始，動車組高級修里程周期間隔上限逐步延長，高速復興號和時速300公里和諧號動車組，高級修里程間隔上限將從132萬公里分階段逐步延長到165萬公里和145萬公里。相應的軸箱軸承的維修周期間隔Z長也將延長到165萬公里，因高級修時會更換潤滑脂，因此延長維修周期間隔將對潤滑脂的可靠性和長壽命提出嚴苛的要求。

2）當前國內高速動車組Z高運營速度為350km/h，后續可能提速至400km/h或更高。速度的提高還會導致車軸溫升高、轉向架振動、車輪不圓、軸箱磨損的加劇，惡化軸箱軸承的受力及潤滑，降低其使用壽命。

3）隨著中國高速動車組的進一步發展，未來動車組的運營安全和可靠性將更高，全壽命周期成本將更低，基于在線故障診斷模型、數據分析、數據挖掘、故障預測，提前實施預見性的維修是趨勢。

3　高速動車組軸箱軸承研發方向

軸箱軸承的研發涉及設計、制造、材料、潤滑、檢測與試驗、狀態檢測等一系列技術難題。結合上表2高速動車組軸承配置情況可知，舍弗勒集團是中國高速動車組軸承市場的重要參與者與貢獻者，接下來以舍弗勒品牌軸承為例，管中窺豹了解中國高速動車組軸承的技術發展方向。為適應前文所述的三方面訴求，舍弗勒正在研發能夠適應更高運用速度、更高載荷和沖擊以及更小摩擦的軸箱軸承。正在從軸承本體和系統上進行以下幾個方面進行改進：

軸承本體方面：運用代表高水平設計&制造能力的X-life技術。

進一步提高功能面如套圈及滾動體表面的加工精度；

進一步優化滾動體與套圈滾道面、擋邊面的接觸型面；

舍弗勒獨創的X-life技術，其核心是使用舍弗勒集團Z先進的生產技術，優化滾動體與套圈滾道面、擋邊面之間的整個接觸面（如圖3所示），可顯著減低了軸承內部的接觸應力狀態。同時微觀表面質量的提高減少了軸承內部摩擦（包括潤滑劑間的運轉阻力和張力）。通過舍弗勒專有軟件BearinX分析顯示，優化后設計大幅降低了滾動體和擋邊之間的摩擦，承受軸向載荷的滾動體磨損顯著減少，可顯著降低軸承的運轉溫度。圖4為滾動體端面和擋邊接觸優化前后摩擦功率和摩擦力矩的對比。

同時X-life對鐵路客戶意味著在更緊湊的設計空間需求下，將獲得更高的承載能力。因此對“可靠性”?求極度苛刻的高速?路客戶，X-life產品將是Z佳選擇。圖5為標準產品和“X-life”產品的壽命對比實驗。

采用更高等級材料

軸承鋼的質量等級直接影響軸承的性能、壽命和可靠性。分析軸承主要的失效形式-剝落，主要包括兩種類型，一種是表面起源型疲勞剝落，即由污染顆粒、表面壓痕或潤滑不良引起并擴展的剝落形式，一種是次表面起源型疲勞剝落，根據赫茲理論，在滾動接觸載荷作用下，于表面下接觸應力Z大處（次表面）開始出現微裂紋。隨著滾動接觸載荷的不斷作用，微裂紋通常會向滾動接觸表面擴展，進而產生小片狀剝落，并繼而引發材料剝離。即由次表層裂紋或夾雜在外部載荷作用下引起并擴展至滾道表面的疲勞剝落形式。

結合剝落失效機理，如果作用在軸承上的外部載荷變大，軸承會提前出現疲勞失效，降低L10壽命。在外部載荷條件無法改變的情況下，采用更高等級材料（軸承鋼純凈度更高）可以抵消振動和沖擊的影響，降低次表面缺陷擴展速度，減少軸承發生剝落的概率，有效抑制軸承早期失效。

開發適應更高轉速、更長免維護周期的潤滑脂；

軸承潤滑狀況的正確判定對制定列車維修周期具有指導意義。分解檢測周期由軸承使用壽命確定，潤滑脂在軸承零件中使用壽命Z低。軸承分解檢測周期由132萬公里提高至165萬公里，即要求潤滑脂更換周期由132萬公里提高至165萬公里，相當于壽命需要提高25%。當前高速動車組用潤滑脂已是特殊的鐵路潤滑脂，具有良好的機械安定性、膠體安定性、極壓抗磨性、抗氧化性、防銹性、抗水性和長壽命等特點。在此基礎上，工作溫度水平會大大影響潤滑脂壽命，更低的工作溫度將大大延緩潤滑脂的老化失效。開發適應高轉速、溫升低的潤滑脂將有效支撐延長軸承免維護周期。

除此之外，在線潤滑脂更換系統也能夠解決維修周期延長對潤滑脂的要求。

系統方向：

狀態監測系統集成了溫度、速度、加速度等多個傳感器單元，智能軟件和云連接系統，能夠實現數據的采集、打包、傳輸、分析、存儲、通訊和警報判斷和發布。操作員或技術維護人員可以通過互聯網監控各個軸箱軸承，并與客戶現有系統互通交換數據，通過綜合智能分析實時掌握軸承工作狀態，及時發現軸承早期失效，實現更高的平均速度，更大的行駛里程和更長的維護間隔，同時還可以提高運行可靠性。開放平臺概念設計可以擴展監控項點，從而可以監控更多組件甚至整個轉向架系統。

4　結束語

隨著中國高鐵的快速發展，軸箱軸承作為高速動車組的核心關鍵部件，需要不斷優化提升，本文通過總結軸箱軸承的運用挑戰和當前中國高速動車組的市場需求，提出了軸箱軸承的4個優化方向以供借鑒。

【參考文獻】

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