高速列车牵引电机轴承润滑脂的研制及应用

王越，李建明，张遂心，曹君慈，毛菁菁

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，兰州 730060；2.中国石油昆仑润滑检测评定中心，兰州 730070；3.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044)

高速列车作为现代化的交通工具，具有速度快，运量大，安全舒适和清洁环保等优点。铁路技术的快速发展带动了机械构件性能的提高，牵引电机轴承作为牵引电动机中的关键部件，承载着转子重量及运行中的振动和冲击，列车高速化使轴承转速提高，从而导致轴承振动和温度上升，且牵引电动机要求小型化和轻量化使润滑脂用量减少，同时要求检修周期长，对润滑脂寿命提出了更高的要求[1-2]。润滑脂的质量决定了轴承运行的稳定性和可靠性，对高速列车的安全运营起着十分重要的作用。

目前,高速列车牵引电机轴承使用的润滑脂均为进口脂，其通常会作为初装脂与进口轴承一起被引进，而国内研发的新轴承和润滑脂很难直接在高速列车上进行试验，必须先利用专业的试验台架进行轴承和润滑脂的可靠性试验与研究。某大学的NTN台架是国内唯一可进行高速列车牵引电机轴承耐久性试验的专用设备，能根据实际工况进行不同转速、轴向和径向载荷、温度、润滑油脂等综合条件下的试验[3]。利用该轴承试验台开展新产品的研制和应用研究，对高速列车牵引电机轴承润滑脂的国产化具有重要意义。

1 产品指标的确定

牵引电机轴承主要承受转子轴和联轴节或齿轮作用引起的径向载荷，高速旋转并实现频繁启停，最高转速可达6 000 r/min以上[4]。牵引电动机的传动端采用NU214圆柱滚子轴承，非传动端采用6311深沟球轴承，dmn>5×104mm·r/min，要求润滑脂必须具有良好的机械安定性；我国南方夏季轴承运行温度最高可达100 ℃左右，北方冬季最低气温低于-40 ℃，要求润滑脂既能耐高温和抗氧化，又可在低温下保持润滑性；在规定的运行期(或者运行里程)内可实现免维修[5]，为确保安全性，要求润滑脂具有长的使用寿命。根据实际工况，结合现用进口脂的理化性能分析结果，制定了新研脂的暂定技术指标，见表1。

表1 进口脂的典型值和新研脂的目标技术规范

2 新研脂的制备及理化性能分析

通过大量试验筛选了基础油和添加剂，并考察对应的制备工艺，形成以复合锂皂为稠化剂，聚α烯烃+矿物油为基础油，并添加抗氧剂、防锈剂、极压抗磨剂和高效减摩剂的产品配方。同时，按确定配方和工艺进行3次200 kg规模的中试放大生产，实验室试样与中试各批次试样的理化性能见表2，中试各批次试样与实验室试样性能相差不大，均满足产品的技术指标要求。与进口脂性能相当，说明产品质量稳定，工艺可靠，具有优良的机械安定性、抗氧防腐性及良好的抗磨减摩性能，同时具有较长的润滑寿命。

表2 实验室试样与中试生产试样的检测结果

3 高速列车牵引电机轴承台架试验

为考察新研脂与高速列车牵引电机轴承的适应性，在NTN台架上模拟标准化动车组时速385 km/h时的牵引电机轴承实际转速，进行高速列车牵引电机轴承润滑脂寿命试验，通过急加速试验、温升试验和耐久性试验确定润滑脂是否满足高速列车牵引电机轴承运行的标准要求[6]。

3.1 试验条件

NTN牵引电机轴承试验台主机部分配置如图1所示。试验轴承及润滑脂用量见表3。

图1 牵引电机轴承试验台主机图

表3 试验轴承型号及装脂量

3.2 台架试验方法

NTN台架试验分为3个部分：依次进行急加速试验、温升试验、耐久性试验。试验过程中采用径向加载，载荷值为2 400 N。

急加速试验：从静止快速提高到某一高速，确认在急加速时有无异常发热，主要考察轴承和润滑脂的动态特性(图2a)。

温升试验：在轴向和径向载荷固定的条件下呈阶梯状升高转速，考察轴承在某速度下的温升，每个转速的时间段控制在温度稳定后1 h左右(图2b)。

耐久性试验：使用同一套轴承，按列车运行速度385 km/h(轴承转速5 800 r/min)运行12×105km，考察润滑脂和轴承的耐久性[3](图2c)。

图2 NTN台架试验转速谱

试验过程中监测深沟球轴承和圆柱滚子轴承的温度和振动，根据大量的台架试验数据和相关专家的建议，将该牵引电动轴承试验的温度限值设定为100 ℃，振动限值设定为80g(g为重力加速度)，当温度或振动超出限值，试验台自动报警停机。

3.3 台架试验过程中的润滑状态监测

3.3.1 急加速试验和温升试验

新研脂(中试试样1)在高速牵引电机轴承试验台上先低速跑合，然后进行急加速和温升试验，监测试验过程中的温度和振动(图3和图4)，急加速试验和温升试验状态良好，振动和温度都远低于限值，说明新研脂能满足急加速和温升试验的润滑需要。

图3 急加速试验过程中轴承的温度和振动曲线

图4 温升试验过程中轴承的温度和振动曲线

3.3.2 耐久性试验

新研脂的耐久性试验结果如图5所示，新研脂耐久性试验运行了3 121.5 h，实际运行里程超过12×105km，耐久性试验过程中使用新研脂的轴承温度和振动都远低于限值，说明新研脂具有极佳的润滑稳定性和可靠性，能够延长轴承的补脂周期。

图5 耐久性试验过程中轴承的温度和振动曲线

3.4 试验完成后的轴承拆解

对新研脂耐久性试验后的6311轴承和NU214轴承零件表面形貌和热处理质量进行检验与分析，新研脂耐久性试验后轴承的拆解状态如图6所示，NU214轴承保持架完好，内圈基本无磨痕、无变色；6311轴承保持架只有轻微变色，外圈沟道面基本无磨痕。

图6 新研脂耐久性试验后轴承拆解状态

采用洛氏硬度计分别对新研脂耐久性试验后轴承的内外圈、滚动体进行硬度检测，结果见表4，套圈硬度均符合GB/T 34891—2017《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》中200 ℃回火的要求(59～64 HRC)，滚动体均符合常规回火后硬度要求(61～66 HRC)。

表4 耐久性试验后轴承零件硬度检测结果

耐久性试验后轴承零件的显微组织经切割、磨制、抛光后在金相显微镜下观察，其检验结果见表5，均满足GB/T 34891—2017的要求。

表5 耐久性试验后轴承零件显微组织检验结果

综上可知，新研脂经过3 000多小时的耐久性试验后,轴承状态依然良好，仍能继续使用。

4 结论

通过在NTN高速牵引电机轴承试验台上对新研脂进行急加速试验、温升试验和12×105km的耐久性试验，得到以下结论：

1)新研脂综合性能优异，台架试验运行期间轴承保持较低的温升和振动幅度，表现出优异的润滑稳定性和极长的寿命，通过了高速列车牵引电动机台架试验。

2)耐久性试验后轴承套圈、滚动体的硬度和显微组织均符合相关标准要求；轴承运转轨迹正常，整体无偏载；轴承零件色泽正常，未见烧伤组织，说明轴承运转过程中润滑良好。