内燃机车轴承使用寿命期修改建议及预期效果

郑 平

（南昌铁路局 福州机务段，福建福州350014）

为了加强机车轴承质量控制，铁道部制定了《机车轴承技术管理规范（试行）》（以下简称《规范》），对机车牵引电动机输出端轴承、轴箱轴承、同步牵引发电机轴承的技术管理作了比较详细的规定。轴箱轴承与牵引电动机输出端轴承都是机车走行部的关键部件，一旦发生故障就会影响机车正常运转，严重时会造成列车重大事故。《规范》规定轴箱轴承的使用寿命期为80万km或4年、牵引电动机轴承使用寿命期为50万km或3年，规定轴承的使用寿命期有助于提高机车走行部轴承质量、确保列车安全运行。但严格执行轴承使用寿命期规定也增加了机车检修材料费支出，为了做到兼顾铁路运输安全与效益，有必要探讨修改机车轴承使用寿命期的问题。

1 轴承使用寿命分析

机车运用中轴承的承载情况、保养好坏、顶轮检测操作与门限值设置是否合理、拆装是否得当等都会影响轴承的使用寿命，本文仅就轴承承受载荷情况对轴承使用寿命的影响进行分析。

1.1 滚动轴承寿命计算方法

内燃机车使用的轴承是滚动轴承，一般工作条件下的滚动轴承往往因疲劳点蚀而失效，根据机械师设计手册，滚动轴承的寿命计算公式如下：

式中L10为基本额定寿命（轴承失效率10%时运转的总转数，单位为106r）；C为基本额定动载荷（轴承基本额定寿命为106r时所能承受的载荷，N）；P为当量动载荷（N）；ε为寿命指数（球轴承取3，滚子轴承取10／3）。

机车轴承通常以走行公里数表示基本额定寿命L，假设D为机车轮对直径（mm），那么L（km）可用下式表示。

在实际工况中，滚动轴承常同时受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时将基本额定动载荷与实际载荷在相同条件下比较，需将实际工作载荷转化为当量动载荷。在当量动载荷作用下，轴承的寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。当量动载荷P的计算公式如下：

式中Fr为径向载荷（N）；Fa为轴向载荷（N）；X为径向系数；Y为轴向系数；fd为冲击载荷系数。

1.2 牵引电动机输出端轴承

牵引电动机输出端轴承是滚子轴承，从公式（2）可以看出轴承使用寿命与（C／P）的（10／3）次方成正比。对于同一型号的牵引电动机输出端轴承基本额定动载荷C值相同，但P值会因为机车牵引工况不同而发生很大的变化，轴承的使用寿命也会发生很大的变化。例如，DF4D型客运内燃机车牵引齿轮传动比为68／24、构造速度为145 km／h，DF4D型货运内燃机车传动比为63／14、构造速度为100 km／h。DF4D型内燃机车牵引电动机使用直齿轮可不考虑轴向载荷，轴承所承受的电机单边磁拉力与电机转子质量等径向载荷相对较小，因此可以近似认为轴承所承受的当量动载荷P与机车牵引力成正比。当牵引电动机输出功率一定时，牵引力与机车速度成反比，当量动载荷P与机车速度成反比。当客运机车与货运机车负载率一样、客运机车平均运行速度是货运机车1.45倍时，在不考虑冲击载荷系数fd差异的情况下，按公式（2）计算客运机车牵引电动机输出端轴承使用寿命是货运机车的3.45倍。又如，DF5型与DF4型内燃机车都安装ZQDR－410型牵引电动机，但DF5型内燃机车功率大约只有DF4型内燃机车的一半，显然DF5型内燃机车牵引电动机输出端轴承所承受的当量动载荷P要比DF4型内燃机车小许多，使用寿命应比DF4型内燃机车长得多。

1.3 同步牵引发电机轴承

同步牵引发电机轴承承受载荷情况比较简单，轴承所承受的载荷可以简单地认为正比于同步牵引发电机输出功率，也就是说轴承使用寿命与同步牵引发电机输出功率成反比。

1.4 轴箱轴承

轴箱轴承所承受的径向载荷有机车轴重（需减去机车一系弹簧以下的部分）、机车牵引力与制动力、机车运行中产生的动载荷等，所承受的轴向载荷有过道岔、过曲线、蛇行运动产生的冲击载荷等。机车轴箱轴承所承受的各种载荷除轴重以外都是变量，所承受的当量动载荷P会随机车运行速度、牵引吨位、线路状况等变化，因此同一型号的轴承安装在不同的机车上会有不同的使用寿命。例如DF5型机车与DF4型机车使用相同型号的轴箱轴承，但是DF5型机车轴箱轴承所承受的各种载荷几乎都比DF4型机车小，显然DF5型机车轴箱轴承实际使用寿命会比DF4型机车长得多。

2 轴承使用寿命期修改建议

2.1 牵引电动机输出端轴承

《规范》规定牵引电动机输出端轴承使用寿命期为50万km或3年（第一个机车中修时做静、动态检测及顶轮检测），正在运用中的机车达到使用寿命期的轴承，经顶轮检测合格时，允许继续使用到下一次机车中修止。客运、货运内燃机车第二次中修约为60万km，调车内燃机车一次中修约为3年，根据《规范》客、货运内燃机车第二次中修牵引电动机轴承必须全部更换（再运行30万km后机车大修又要全部更换），调车内燃机车如果按3年使用寿命期执行则每次中修都要全部更换。

由于客运、货运内燃机车牵引电动机输出端轴承承受的载荷会随机车工况不同而发生变化、调车内燃机车轴承承受的载荷比客运、货运内燃机车小许多，统一执行50万km或3年使用寿命期不太合理。因此建议客运、货运内燃机车牵引电动机输出端轴承使用寿命期修改为60～90万km（每一个机车中修时做静、动态检测及顶轮检测），调车内燃机车牵引电动机输出端轴承使用寿命期修改为6～10年（每一个机车中修时做静、动态检测及顶轮检测），各铁路局可根据机车实际运用情况，在保证列车安全运行的前提下自行确定执行使用寿命期上限或下限。

2.2 同步牵引发电机轴承

《规范》规定同步牵引发电机轴承使用寿命期与牵引电动机输出端轴承相同，建议修改后的使用寿命期也与牵引电动机输出端轴承相同。

2.3 轴箱轴承

《规范》规定轴箱轴承使用寿命期为80万km或4年（每一个机车中修时做静、动态检测及顶轮检测），正在运用中的机车达到使用寿命期的轴承，经顶轮检测合格时，允许继续使用到下一次机车中修止。《内燃机车段修管理规程》规定客运与货运本务机车大修周期为70～90万km、调车机车大修周期为8～10年（根据铁路机车统计规程调车作业每小时换算20 km）。这样，客运、货运本务内燃机车在一个大修周期内只需更换顶轮检测不合格的轴箱轴承，调车内燃机车在一个大修周期内需要有一次中修全部更换轴箱轴承。

为了使轴箱轴承使用寿命期与机车大修周期相吻合及减少调车内燃机车更换轴承费用支出，建议客运、货运内燃机车轴箱轴承使用寿命期修改为90万km（每一个机车中修时做静、动态检测及顶轮检测），调车内燃机车轴箱轴承使用寿命期修改为6～10年（每一个机车中修时做静、动态检测及顶轮检测），各铁路局可根据机车实际运用情况，在保证列车安全运行的前提下自行确定执行使用寿命期上限或下限。

2.4 大修后轴承

《规范》规定大修后轴承使用寿命期与新轴承相同，大修后的轴承与新轴承有相同使用寿命期不太合理。福州机务段没有使用大修后轴承，铁路内还有不少机务段没有使用大修后的轴承，为了节约机车检修材料费支出，建议规定每个机务段都应将换下的轴承送厂大修，大修后的轴承应优先使用在调车机车及小修、辅修、临修机车上。

3 修改使用寿命期的预期效果

3.1 运输安全

修改后的客运、货运内燃机车牵引电动机输出端轴承与同步牵引发电机轴承使用寿命期均为60～90万km，轴箱轴承使用寿命期为90万km，原有的使用寿命期分别为50万km至下一个中修期与80万km至下一个中修期，下一个中修期实际上就是60万km与90万km，也就是说修改后的使用寿命期下限与现有的使用寿命期上限相同。轴承使用寿命期修改后轴箱轴承的使用寿命期几乎没改动，因此轴承使用寿命期的修改不会提高轴箱轴承的故障率。轴承使用寿命期修改后牵引电动机输出端轴承与同步牵引发电机轴承使用寿命期都提高了上限，由于同步牵引发电机轴承故障极少，即使发生故障也不会影响行车安全，因此提高同步牵引发电机轴承使用寿命期不会危及列车安全。牵引电动机输出端轴承故障率的高、低主要取决于机车运行工况，机车牵引重载或高速列车时牵引电动机输出端轴承故障率可能较高，反之故障率则较低。各机务段可根据机车实际运用情况决定中修是否更换轴承，这样就不会影响铁路运输安全。

修改后的调车内燃机车3种轴承使用寿命期统一提高到6～10年，也就是二个中修期至一个大修期。考虑到承受载荷比较大的客货运内燃机车轴箱轴承都能使用一个大修期，调车作业又具有低速与短距离等特点，同时在《规范》出台前福州机务段调车内燃机车中修时3种轴承只是更换有故障的轴承，《规范》出台前、后这十余年调车内燃机车运用中3种轴承几乎没有发生故障，因此认为调车内燃机车3种轴承使用寿命期延长后不会对铁路运输安全产生不利的影响。

3.2 节约支出

《规范》是铁道部运输局颁发的文件，即使该文件对轴承使用寿命期的规定可能存在不当或不够明确，作为铁路基层单位都应该认真执行，执行该文件的过程中会出现低于使用寿命期就更换轴承的问题，有的机务段甚至每次中修都全部更换轴承，换下来的轴承直接报废。通常情况下轴承的故障率是有一定规律变化的，存在初始故障期、偶发故障期和耗损故障期3个阶段。频繁更换会使轴承故障发生在初始故障期的机会增加，由于初始故障期的故障率要比偶发故障期的故障率高许多，因此频繁更换轴承不一定会降低故障率，却大大增加了材料费支出。福州机务段2011年内燃机车中修更换轴承支出300多万元，如果执行修改后的使用寿命期规定可减少支出约200万元，每个从事中修工作的职工平均节约1万元左右，如果将换下的轴承送厂大修，还会减少更换轴承的支出。福州机务段如果执行修改后的使用寿命期规定能大幅度减少支出是调车内燃机车中修较多等特殊原因，估计其他机务段能达到年人均节约几千元。

为了确保轴承使用寿命期修改后能达到预期的效果，必须尽量避免人为因素造成轴承使用寿命期缩短，其中最主要的是要避免轴承拆装过程中损坏。

4 结束语

由于机车轴承承受载荷的情况比较复杂，难以用计算的方法制定合理的使用寿命期，因此只有通过分析正常使用情况下轴承的实际使用寿命来制定合理的使用寿命期。本文通过分析内燃机车牵引电动机输出端轴承、轴箱轴承、同步牵引发电机轴承承受载荷与使用寿命的关系，对这3种轴承的使用寿命期提出了修改建议，期望引起有关部门的重视。《规范》2000年4月发布至今已有12年，通过分析12年来内燃机车轴承使用情况应该能够制定出更加合理的使用寿命期。上述3种轴承全部更换所需的费用约占内燃机车中修材料费支出的四分之一，制定合理的使用寿命期，既能确保铁路运输安全，又能节约材料费支出，达到兼顾铁路运输安全与效益两全的目的。

［1］中华人民共和国铁道部运输局.机车轴承技术管理规范（试行）［S］.

［2］吴宗泽.机械设计师手册（下册）［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［3］冯庚斌，李 志.机车走行部的动态检测［J］.铁道机车车辆，2003，（6）：19－23，58.