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最近的鐵道車(chē)輛用車(chē)軸、牽引電動(dòng)機(jī)及齒輪裝置用軸承,要求實(shí)現(xiàn)高速化、輕量化及緊湊化,以提高性能,同時(shí),在軸承維修方面,迫切要求延長(zhǎng)分解檢查周期,延長(zhǎng)工作壽命。

下面介紹在上述背景下,鐵道車(chē)輛用軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)的新動(dòng)向。

1、車(chē)軸軸承所要求的功能

車(chē)軸軸承除了承受由車(chē)輛質(zhì)量及裝載質(zhì)量構(gòu)成的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)徑向載荷外,還要承受軸向非恒定的推力。軸承是走行裝置中的一個(gè)零部件,因而其故障對(duì)于車(chē)輛運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。因此,長(zhǎng)期以來(lái),在軸承結(jié)構(gòu)的選擇、設(shè)計(jì)制造方面進(jìn)行了周密考慮。車(chē)軸軸承在適應(yīng)各個(gè)時(shí)期車(chē)輛的需要中得到了發(fā)展,而最近要求車(chē)軸軸承高速化、輕量化、免維修化。

關(guān)于新干線的提速,從1992年JR東海公司300系新干線電動(dòng)車(chē)組開(kāi)始,以最高速度270km/h運(yùn)營(yíng),1997年JR西日本公司采用500系新干線電動(dòng)車(chē)組開(kāi)始速度300km/h的運(yùn)營(yíng)。即使是既有線車(chē)輛,1989年JR東日本公司651系特快電動(dòng)車(chē)組也首次開(kāi)始130km/h的運(yùn)營(yíng)。以后,JR各公司競(jìng)相在既有線上進(jìn)行了列車(chē)提速。在上述的列車(chē)提速中車(chē)軸軸承在結(jié)構(gòu)上取得了新的發(fā)展。

第二個(gè)重要條件是輕量化,特別是列車(chē)高速化時(shí)迫切要求車(chē)輛自身的輕量化。車(chē)輛的輕量化關(guān)系到節(jié)能,同時(shí)是為減輕對(duì)軌道影響的必要條件。另外,降低簧下質(zhì)量及簧間質(zhì)量(軸彈簧與空氣彈簧間的質(zhì)量),可認(rèn)為有利于高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性,從而也要求車(chē)軸軸承輕量化。

尤其是最近以來(lái),根據(jù)鐵道公司經(jīng)營(yíng)上的理念,迫切要求免維修化,根據(jù)運(yùn)輸省命令規(guī)定,日本鐵道車(chē)輛按照指定的運(yùn)行里程或運(yùn)行時(shí)間施行檢查或修理。最近,延長(zhǎng)車(chē)輛檢修周期成為發(fā)展方向。例如,新干線檢修車(chē)輛的全面檢查,目前是不滿90萬(wàn)km或運(yùn)行不滿3年;而21世紀(jì)初期目標(biāo)是延長(zhǎng)到運(yùn)行120萬(wàn)km。目前,車(chē)軸軸承在轉(zhuǎn)向架檢查周期中施行檢修,但將來(lái)要求運(yùn)行120萬(wàn)km免維修。

2、車(chē)軸軸承的壽命與維修

車(chē)軸軸承是考慮直至滾子、滾道表面發(fā)生剝離的壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)的。關(guān)于維修,新干線電動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢查(運(yùn)行不滿1年或45萬(wàn)km)及全面檢查(運(yùn)行不滿3年或90萬(wàn)km),既有線電動(dòng)車(chē)組重要部位檢查(運(yùn)行不滿4年或60萬(wàn)km)及全面檢查(運(yùn)行不滿8年)時(shí),車(chē)軸軸承進(jìn)行分解檢查,同時(shí),對(duì)新干線達(dá)到運(yùn)行一定里程(300萬(wàn)km)或年數(shù)(6年～7年),就有計(jì)劃地進(jìn)行更換。迄今為止的實(shí)績(jī),沒(méi)有由于產(chǎn)生剝離的情況而更換軸承,由于電蝕而更換軸承的情況較多。在檢查階段也有一些一經(jīng)確認(rèn)有壓痕、傷痕等而更換軸承的情況,計(jì)劃更換的比例占了大多數(shù)。

潤(rùn)滑脂密封型圓錐滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑脂與密封的壽命成為關(guān)鍵問(wèn)題。目前,新干線車(chē)輛每次轉(zhuǎn)向架檢查中都進(jìn)行車(chē)軸軸承檢修,但在既有線車(chē)輛中,到全面檢查輪徑到達(dá)限度值(運(yùn)行平均為100萬(wàn)km左右)前,不取出密封型車(chē)軸軸承作檢查,從而,至關(guān)重要的問(wèn)題是確保潤(rùn)滑脂與密封最短也要達(dá)到上述的壽命。

3、牽引電動(dòng)機(jī)用軸承

電動(dòng)車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)聯(lián)軸節(jié)傳遞到齒輪裝置的小齒輪上,再由小齒輪傳遞到壓裝在車(chē)軸上的大齒輪上,最后成為輪軌間的驅(qū)動(dòng)力及制動(dòng)力。牽引電動(dòng)機(jī)及齒輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)裝置中使用的軸承很重要。牽引電動(dòng)機(jī)/齒輪裝置間的聯(lián)軸節(jié)方式各不相同,平行萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)式驅(qū)動(dòng)裝置的典型實(shí)例,表示其軸承位置。窄軌線路上運(yùn)行的電動(dòng)車(chē),由于轉(zhuǎn)向架空間的關(guān)系,可使用撓性板聯(lián)軸節(jié);而在軌距較寬的線路上運(yùn)行的新干線電動(dòng)車(chē)使用了齒輪聯(lián)軸節(jié)。最近,由于牽引電動(dòng)機(jī)的緊湊化,連既有線電動(dòng)車(chē)也采用了短距離內(nèi)產(chǎn)生必要撓性位移的CFRP板聯(lián)軸節(jié)。

4、牽引電動(dòng)機(jī)用軸承功能

電動(dòng)車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)用軸承承受由轉(zhuǎn)子軸及聯(lián)軸節(jié)的質(zhì)量產(chǎn)生的徑向載荷,進(jìn)行高dmN值(軸承滾動(dòng)體的節(jié)圓直徑與旋轉(zhuǎn)速度的積)的旋轉(zhuǎn),并且頻繁而交替地運(yùn)轉(zhuǎn)、停止。由于運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架振動(dòng)的影響,軸承承受動(dòng)載荷,由于靜態(tài)質(zhì)量相對(duì)較小,牽引電動(dòng)機(jī)用軸承的計(jì)算壽命,比車(chē)軸用軸承及齒輪裝置用軸承的壽命長(zhǎng)很多。通常,這類(lèi)軸承型式是,齒輪側(cè)使用圓柱滾動(dòng)承;與齒輪相反的另一側(cè)采用深槽滾珠軸承,它兼具支承轉(zhuǎn)子軸軸向運(yùn)動(dòng)的作用,采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。近年來(lái)的新型電動(dòng)車(chē)安裝了VVVF控制的交流電動(dòng)機(jī),其電機(jī)實(shí)現(xiàn)了輕量化、緊湊化,且保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)。有關(guān)新干線與既有線電動(dòng)車(chē)運(yùn)營(yíng)的最高速度與牽引電動(dòng)機(jī)軸承(齒輪側(cè))的dmN值的關(guān)系。新干線與既有線車(chē)輛牽引電動(dòng)機(jī)用軸承的dmN值基本上相同,而相對(duì)應(yīng)的大、小齒輪間的傳動(dòng)比:新干線電 動(dòng)車(chē)大致為2～3;而既有線電動(dòng)車(chē)大致為4～7,后者是前者的2倍。因此,車(chē)輛運(yùn)行一定距離時(shí)的軸承累計(jì)旋轉(zhuǎn)數(shù),既有線電動(dòng)車(chē)是新干線電動(dòng)車(chē)的2倍左右。

采用交流電動(dòng)機(jī)時(shí),為處理軸承的高速旋轉(zhuǎn)與牽引電動(dòng)機(jī)各部件的溫度上升問(wèn)題,在提高軸承及潤(rùn)滑脂的耐熱性、耐久性上下了功夫。通常,直流電動(dòng)機(jī)采用了鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑,它是一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承用的一種潤(rùn)滑脂。隨著牽引電動(dòng)機(jī)采用交流電動(dòng)機(jī),以提高耐熱性、耐久性為目標(biāo),開(kāi) 發(fā)了復(fù)合鋰基皂性潤(rùn)滑脂,廣泛應(yīng)用于以300系新干線電動(dòng)車(chē)為首的采用了交流電動(dòng)機(jī)的車(chē)輛上,在采用了交流電動(dòng)機(jī)的新型既有線電動(dòng)車(chē)輛牽引電動(dòng)機(jī)上,也廣泛應(yīng)用了這種潤(rùn)滑脂。在軸承方面,由于改變保持架導(dǎo)向方式,減少了潤(rùn)滑脂的老化;通過(guò)軸承絕緣防止電蝕;通過(guò)尺寸穩(wěn)定化熱處理的應(yīng)用,抑制了軸承尺寸的變化。保持架是高精度地維持滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸承零件,而其自身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向有沿外圈內(nèi)徑面進(jìn)行導(dǎo)向的方式(外圈導(dǎo)向)和利用滾動(dòng)體(滾子)的滾動(dòng)面進(jìn)行導(dǎo)向(滾動(dòng)體導(dǎo)向)的方式。外圈導(dǎo)向時(shí)的保持架,由于與外圈內(nèi)徑面之間形成滑動(dòng)接觸,如因潤(rùn)滑脂老化及產(chǎn)生電蝕等導(dǎo)致潤(rùn)滑性能降低,則保持架導(dǎo)向面及外圈內(nèi)徑面易引起磨耗。而滾動(dòng)體導(dǎo)向方式由于與滾動(dòng)面的滑動(dòng)接觸,更容易確保油潤(rùn),即使?jié)櫥瑮l件降低的情形下,也有利于防止?jié)櫥匣?加上保持架制造技術(shù)的進(jìn)步及成本降低等效果,最近,牽引電動(dòng)機(jī)軸承正在使用滾動(dòng)體導(dǎo)向的保持架。為防止電蝕,采取了各種對(duì)策,也提高了效果,確認(rèn)軸承的絕緣是最有效的方法。軸承的絕緣處理有對(duì)外圈外徑面及端面被覆以氧化鋁為主要成分的陶瓷及PPS樹(shù)脂(聚苯硫醚)等絕緣物的方法。陶瓷采用噴鍍法,PPS采用注射成型法被覆在外圈外徑面,被覆層粘附牢固。

陶瓷被覆的絕緣軸承首先應(yīng)用于300系新干線主電動(dòng)機(jī)軸承,并擴(kuò)大應(yīng)用于其他新干線電動(dòng)車(chē)上。PPS的缺陷是韌性稍為不足,但其具有耐熱性及尺寸穩(wěn)定性,成型加工性能也好。成型時(shí)添加玻璃纖維以改善韌性。在熱力性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)及絕緣破壞特性等物理性質(zhì)方面,氧化鋁陶瓷優(yōu)于PPS樹(shù)脂,但是,PPS雖稍微遜色,實(shí)際應(yīng)用上并無(wú)問(wèn)題,況且由于成本方面的優(yōu)勢(shì),PPS樹(shù)脂被覆的絕緣軸承,最先應(yīng)用于以JR東日本公司E209系的電動(dòng)車(chē)上,并大量應(yīng)用于安裝了交流電動(dòng)機(jī)的新型既有線電動(dòng)車(chē)上。

開(kāi)發(fā)絕緣軸承時(shí),不僅針對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)所必需的特性進(jìn)行了試驗(yàn),而且進(jìn)行了與軸箱的分解組裝試驗(yàn),還設(shè)定了軸承的藥液清洗,進(jìn)行了液體浸漬試驗(yàn)等一系列從維修方面考慮的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

5、牽引電動(dòng)機(jī)軸承的新維修法

300系新干線電動(dòng)車(chē)以交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用為契機(jī),為替代以往的分解檢查法,進(jìn)行了主要以軸承部分為對(duì)象的牽引電動(dòng)機(jī)的非分解檢查法的開(kāi)發(fā)。對(duì)于運(yùn)行到檢查周期距離的車(chē)輛用牽引電動(dòng)機(jī),在完全非分解狀態(tài)下實(shí)施軸承有無(wú)異常的檢測(cè),及對(duì)再使用軸承的潤(rùn)滑脂清洗并重新填充潤(rùn)滑脂等。軸承是否有異常的檢測(cè)是通過(guò)對(duì)軸承的振動(dòng)法及采用了熒光X射線的潤(rùn)滑脂的現(xiàn)場(chǎng)(就地)分析來(lái)進(jìn)行的,采用組合了高溫、高壓水及真空吸引的裝置實(shí)施潤(rùn)滑脂的清洗。

6、齒輪裝置用軸承的功能

齒輪裝置用軸承,大齒輪及小齒輪均用1對(duì)的單列圓錐滾動(dòng)軸承,小齒輪軸承由牽引電動(dòng)機(jī)側(cè)與車(chē)輪側(cè)的正面組合構(gòu)成;大齒輪軸承由于聯(lián)軸節(jié)不同,有背面組合與正面組合。齒輪裝置的軸承作用是,作為支承機(jī)構(gòu),一方面承受運(yùn)行時(shí)的振動(dòng),一方面將旋轉(zhuǎn)力平穩(wěn)地傳遞到車(chē)軸上。它是在嚴(yán)格條件下使用的一種軸承,包含了振動(dòng)條件的載荷與轉(zhuǎn)速是軸承的主要設(shè)計(jì)依據(jù),其潤(rùn)滑采用80號(hào)或90號(hào)齒輪油油浴潤(rùn)滑。作為軸承載荷,可按齒輪裝置額定轉(zhuǎn)矩工況下,對(duì)以考慮了動(dòng)載荷系數(shù)的齒輪嚙合反力,和運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)加速度為前提的小齒輪軸和齒輪(變速)箱的慣性力為主要載荷要素,以齒輪變速箱的尺寸要素為基礎(chǔ),求出軸向及徑向的軸承載荷。近年來(lái),300系以后的新干線電動(dòng)車(chē)齒輪箱由以往的鑄鋼材料改為鋁合金(JISAC4C)材,結(jié)果表明,實(shí)現(xiàn)了小型化,,減輕了簧下質(zhì)量,從而有利于降低軸承載荷。最近,新干線電動(dòng)車(chē)軸承的尺寸隨著轉(zhuǎn)向架零部件的輕量化正在實(shí)現(xiàn)小型化。

圓錐滾動(dòng)軸承由于內(nèi)圈大擋邊與圓錐滾子的大端面形成滾動(dòng)、滑動(dòng)接觸,接觸點(diǎn)的表面壓力與滑動(dòng)速度V的積即PV值,作為對(duì)于發(fā)生熱膠著及咬傷限界的一種目標(biāo)。新干線電動(dòng)車(chē)與既有線電動(dòng)車(chē)之間表面壓力及接觸點(diǎn)的滑動(dòng)速度看來(lái)存在若干差異,但是如用PV值來(lái)看則無(wú)大的差異。

7、提高齒輪裝置用軸承的性能

齒輪裝置用軸承尤其是小齒輪軸承,受到車(chē)輛運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的影響,保持架各部分產(chǎn)生各種高頻交變應(yīng)力。特別是新干線電動(dòng)車(chē)高速化時(shí),確保保持架的疲勞強(qiáng)度的可靠性是技術(shù)課題。采用提高保持架的板厚,以增強(qiáng)剛性,降低應(yīng)力,以及利用保持架表面施行軟氮化處理,以提高耐磨性,同時(shí)提高疲勞強(qiáng)度的方法等,顯著改善了保持架的疲勞強(qiáng)度。

具有高速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特征的新干線電動(dòng)車(chē)齒輪裝置,由于潤(rùn)滑油的攪拌,溫度上升較高,為了防止長(zhǎng)時(shí)間使用下因內(nèi)圈內(nèi)徑尺寸的增大引起軸承內(nèi)圈的蠕動(dòng),軸承內(nèi)圈一般施行尺寸穩(wěn)定化熱處理。既有線電動(dòng)車(chē)的小齒輪軸承有出現(xiàn)內(nèi)圈擋邊燒傷的情形,傳動(dòng)比大的既有線電動(dòng)車(chē)起動(dòng)時(shí)齒輪高加速旋轉(zhuǎn),由于快速的溫度上升,容易導(dǎo)致軸承軸向間隙減小,內(nèi)圈大擋邊面與滾子端面的摩擦表面上,有產(chǎn)生油膜破裂的情形。通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題,但是在冬季起動(dòng)時(shí),由于室外溫度低,潤(rùn)滑油粘度高,有潤(rùn)滑油難以巡回的現(xiàn)象。對(duì)于內(nèi)圈擋邊燒傷,著眼于加大軸承軸向間隙管理值的下限,改善齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu),對(duì)于寒冷地區(qū),適當(dāng)降低潤(rùn)滑油粘度等。此外,可在軸承設(shè)計(jì)方面予以改進(jìn),采取使內(nèi)圈大擋邊與滾子大端面的接觸處移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)中心,降低接觸點(diǎn)的 滑動(dòng)速度和改善接觸面的表面粗糙度等措施,來(lái)防止內(nèi)圈擋邊的燒傷。

8、結(jié)束語(yǔ)

鐵道車(chē)輛用軸承在適應(yīng)于各個(gè)時(shí)期的需求中獲得發(fā)展,今后的課題是,為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的免維修,更正確地掌握以實(shí)際承受載荷為首的使用條件,另外,現(xiàn)在軸承材料顯著進(jìn)步,在提高滾動(dòng)疲勞強(qiáng)度措施方面,從滾子與擋邊或保持架等滑動(dòng)接觸部分的摩擦學(xué)方面進(jìn)行研究是至關(guān)重要的課題。

來(lái)源：NSK軸承

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