高速铁路轴承疲劳寿命浅析

2011-03-16王多亮任子晶

哈尔滨轴承 2011年2期

王多亮，任子晶，赵燕

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司研发中心，黑龙江哈尔滨150036；2.哈尔滨轴承集团公司铁路轴承制造分厂，黑龙江哈尔滨 150036）

1 前言

高速铁路作为现代社会的一种新的运输方式，在安全、快捷、经济、环保等方面都具有极为明显的优势。进入新世纪以来，为配合中国经济的快速发展，中国铁路决定把发展客运高速作为实现现代化的一个主要方向。依靠自主创新，中国高速铁路从无到有，经过10多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，我国高速铁路运营总里程将突破1.3×104km，同时我国的轨道交通技术装备逐步提高并实现了国产化，但作为基础精密配件的轴承，我国目前主要依靠进口。高速铁路客车轴承（图1）的高可靠性，长寿命要求，制约着我国高铁轴承的研发，现从结构、材料、加工工艺方面对如何提高轴承的疲劳寿命做一下理论分析。

2 疲劳寿命

2.1 疲劳寿命基本概念

图1 高铁轴承外观图

轴承在使用过程中要求具有精度高、载荷大、摩擦力矩小等性能，同时要求在使用期内能保持所需要的性能指标。当由于安装不正确、润滑不良、配合不当、尘埃和异物进入等原因造成性能指标低于使用要求不能正常工作，或者轴承中任一滚动体或滚道出现疲劳剥落，在这之前的使用期限就是一般所说的疲劳寿命。

轴承是高速运转最基本且必须之关键性零件，在负荷和温度及可靠性上，都有严格的规定与限制。提高轴承的寿命，防止轴承的疲劳破坏是高铁轴承设计的基本要求之一。

2.2 疲劳寿命计算

修正额定寿命

p－轴负荷

Pr=P×f1

f1－动载荷系数

Cr－额定动载荷

a1－可靠性系数（n=10）a1＝1

（n=5）a1=0.62

（n=1）a1=0.21

a2－材料与设计系数1.4～1.8

a3－应用与润滑系数，按一般情况考虑a3=1。

从上述公式可以看出，轴承的疲劳寿命主要受到工况的使用载荷、轴承的设计载荷、轴承的结构、材料因素、润滑情况等因素影响，对这些方面有个清楚的认识，对于提高铁路轴承的疲劳寿命有重要意义。

3 轴承疲劳寿命的影响因素

3.1 结构设计

图2 高速铁路轴承结构示意图

因为受载情况的限制，高速铁路轴承有双列圆锥滚子轴承（图2）、四列圆锥滚子和双列圆柱滚子轴承等几种结构，无论是哪种结构都要求承受径向、轴向联合载荷，在设计中增加滚动体（件04）的数量、增大直径、长度，提高其承载能力，同时改善润滑条件，增加孔、槽等设计，解决散热问题，并加密封装置（件18、件48）防止水、灰尘等异物的进入。以上结构的设计有助于改善轴承的使用环境，提高轴承的抗冲击能力，延长轴承的寿命。

3.2 材料的影响

材料的化学成分和冶炼方法对轴承的寿命影响很大。一直以来铁路轴承一般使用韧性好、抗冲击能力强的渗碳钢GCr18Mo作为生产套圈的材料，随着铁路轴承高可靠性、长寿命的要求越来越严格，对轴承材料性能指标的要求也逐步提高，目前我公司试制的高铁轴承使用了国内新研发的材料,其化学成分接近欧洲铁路轴承的先进材料。

钢铁的冶炼方式经过了普通冶炼、真空脱气冶炼、真空重熔冶炼三个阶段，试验表明真空冶炼的轴承材料纯净度高，非金属夹杂氧化物、硅酸盐等含量减少，疲劳寿命比大气冶炼的轴承钢提高2倍左右。我国轴承钢材氧含量已经接近国外先进水平，但夹杂物和碳化物按轴承尺寸的大小的分布均匀性、成分均匀性与国外相比还有很大差距，如大尺寸的夹杂物和碳化物较多、基本成分不均匀形成黑白区等，造成轴承质量先天不足，严重影响了轴承的疲劳寿命和可靠性。为了满足高速铁路轴承长寿命的趋势，轴承企业应与冶金企业展开合作，促使冶金企业在进一步降低氧含量的基础上，开展浇注凝固技术、轧制技术、夹杂物控制及检测技术的研究，以提高夹杂物和碳化物的尺寸及分布均匀性。

3.3 制造工艺的影响

锻造、车削是我们常用的加工金属的重要手段，试验表明在毛坯成型的过程中纤维流线如果与表面平行，有利于延长疲劳寿命，如果在冷轧、车削过程中切断了流线或者流线分布与表面垂直，容易在纤维露头的地方发生疲劳破坏，可见在锻造、车削加工过程中应尽力沿平行纤维流线的方向进行加工，尽量减少对流线的破坏，提高轴承的疲劳寿命。

热处理作为改善金属或合金组织结构和性能的重要手段一直备受关注。针对不同的材料制定合理的热处理工艺，使碳化物的颗粒细化、分布均匀，有利于疲劳寿命的提高。我厂研制的高速铁路轴承套圈采用了表面渗碳处理，在不降低表面硬度的情况下提高表面残余奥氏体的含量，改善表面应力状态，提高轴承在污染润滑条件下的疲劳寿命和可靠性。

工件的磨削和超精加工去除表面的加工变质层，减小表面粗糙度，使工件表面形成压应力，压应力可抑制疲劳裂纹的产生和扩展速度，延长疲劳寿命。磨削加工实际上是多刀同时切削的加工工艺，磨削加工的进给量较小，切削力通常也不大，但磨削速度较高(30-80m/s)，磨削区域的温度通常都较高，可高达800-1000℃，容易引起工件表面局部烧伤，磨削加工热应力会使工件变形，甚至使工件表面产生裂纹; 同时因为磨削加工过程中会产生大量的金属磨屑和砂轮碎末，会影响加工工件的表面粗糙度等，所以在磨削工艺制定中要注意砂轮材料的选择、进给量、切削力大小的控制等。

3.4 润滑的影响

通常所说的轴承五大件分别指轴承内圈、外圈、滚动体、保持架、润滑剂，可见在现代轴承理论中轴承的润滑及润滑方式、润滑剂的选择对轴承正常运转起了至关重要的作用。根据不同的工况条件应选择合适的润滑方式，高速铁路轴承由于使用环境的限制，选择了一种火车特种润滑脂，该脂也是国外高速铁路轴承专用脂。该油脂除了润滑、防锈的作用外，还起到了密封的作用。油脂对于轴承寿命的影响主要是考虑运转速度和工作温度下润滑的适当程度。润滑的效果首先由轴承滚动接触表面被油膜隔离的程度来决定，在油膜厚度、油的粘度合适、清洁程度良好的情况下，足以在轴承滚动接触表面形成弹性流体动压时，将形成良好的润滑条件，对提高轴承寿命有益。滚动体在装有润滑脂的轴承内公转运动时要受到流体的绕流阻力，滚动体自转运动要受到流体的搅拌摩擦力矩。润滑脂的摩擦在轴承总的摩擦力矩占很大比例，为了减小摩擦，高铁轴承注入的脂的体积约占轴承内部自由空间的三分之一左右。