城轨车辆齿轮箱轴承国产化现状和发展趋势

呙如兵，许涛涛，刘焕伟，李俊强，杨冰

(1.西南交通大学，成都 610031；2.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011；3.上海人本集团轴承技术研发有限公司，上海 201411)

齿轮箱轴承是城轨车辆传动系统的核心零部件，其安全可靠运行是城轨车辆安全运行的保证。基于城轨车辆齿轮箱轴承的应用现状和未来发展趋势，重点分析了齿轮箱轴承国产化的可行性和发展方向。

1 城轨车辆齿轮箱轴承应用现状

城市轨道交通发展水平是衡量一个城市发展水平的重要标准。截至2021年9月，我国城轨交通运营城市达49个，运营里程达8 553 km，城轨交通车辆保有量近50 000辆，城轨车辆齿轮箱轴承全部依赖进口，包括SKF,NSK,Schaeffler,TIMKEN[1-2]。进口轴承的长期垄断严重影响我国轴承行业的发展，高昂的轴承价格也增加了车辆的整体运行成本。

改革开放40余年来，我国轴承行业秉持引进、消化、吸收和再创新的发展方向，取得了长足的进步，国产轴承在货车和普速列车的使用占比逐年提高。城市轨道车辆对于齿轮箱轴承可靠度要求极高，轴承的检修周期最高达160×104km。随着城轨交通运营里程的增加，车辆检修成本逐年提升，进口城轨车辆齿轮箱轴承价格高昂且供货周期不能保证，国产化势在必行。

2 城轨车辆齿轮箱轴承国产化技术

城轨车辆齿轮箱轴承具有转速高，承载能力强，寿命长，可靠性高，振动噪声小，摩擦力矩低，耐极端工况能力强等特点[3]，其国产化对轴承企业提出了严格的技术要求。城轨车辆齿轮箱通常为一级传动，轴承包括输入轴轴承和输出轴轴承，常见的配置形式如图1所示。常用的齿轮箱轴承包括圆柱滚子轴承、四点接触球轴承和圆锥滚子轴承，如图2所示。

图1 城轨车辆齿轮箱常见配置形式

图2 城轨车辆齿轮箱常用轴承

2.1 结构设计

通过优化设计可以提升轴承可靠性，城轨车辆齿轮箱轴承优化设计包括结构强化和局部优化。

国外城轨车辆齿轮箱运行过程中多次出现轴承保持架断裂，如图3所示，分析原因为齿轮箱轴承承受轨道的冲击载荷和齿轮的啮合载荷，轮轨冲击过大。通过增加保持架板厚、梁宽、压坡深度，采用一体式保持架和高强度保持架材料等措施，可提高保持架抗冲击能力。

图3 齿轮箱轴承保持架断裂示意图

对于圆柱滚子轴承：通过优化滚子基面与套圈挡边的接触状态(图4)，可改善滚子基面与挡边的润滑状态，降低滑动摩擦及温升，提高轴承承载能力和运转可靠性。

图4 圆柱滚子轴承外圈优化设计

对于四点接触球轴承：优化沟道密合度和沟边角，可降低高速工况下轴承的温升和振动；对保持架进行轻量化设计可以改善轴承润滑条件，降低轴承噪声。

对于圆锥滚子轴承：优化内圈挡边及滚子基面结构，可改善轴承润滑条件，降低滑动摩擦及温升；滚子采用对数修形(图5)，可有效减少轴承接触区应力集中，提高可靠性,还可以提高滑滚比，有利于提高轴承极限转速；轴承内外圈滚道采用超精研加工技术，可去除滚道凸起尖峰，降低滚子与滚道的滚动摩擦和温升。

图5 圆锥滚子凸度优化设计

轴承优化设计后，额定工况下齿轮箱输入和输出轴轴承理论计算寿命均超过250×104km，部分轴承理论计算寿命超过1 000×104km，满足了城轨车辆齿轮箱轴承的设计要求。

2.2 材料

城轨车辆齿轮箱轴承套圈常用材料为GCr15轴承钢，滚子常用材料为G20CrNi2MoA渗碳钢，冶炼方式主要为电渣重熔和真空脱气。日系轴承钢采用真空脱气冶炼工艺，欧系轴承钢采用电渣重熔和真空脱气冶炼工艺。随国内特种钢冶炼水平的提升，通过洁净钢冶炼、连铸保护渣、惰性气体保护气氛电渣冶炼、大规格电渣锭冶炼技术，与国外同型号产品的差距逐步减少。国内外轴承钢成分控制指标见表1，部分指标已优于进口轴承钢。

表1 国内外轴承钢材料成分控制指标

部分钢企的真空脱气高碳钢和电渣重熔渗碳钢的接触疲劳寿命已达4.9×107次和2.5×107次，达到进口轴承钢水平。同时通过控制气体元素(O，H)、微观夹杂物、碳化物等关键指标，增加夹杂物定量分析、金属原位分析、碳化物定量分析等全面检测纯净度和均质性，国内高品质轴承钢已达到特级优质钢水平，可以应用于城轨交通产品。

城轨车辆齿轮箱轴承保持架材料差异较大，国外轴承企业考虑到工艺和成本，输入轴轴承保持架材料多为ZCuZn40Pb2黄铜，屈服强度大于120 MPa，国内轴承企业开发了ZCuAl10Fe3Mn2铝青铜，屈服强度高于200 MPa。国外输出轴轴承保持架材料多为08Al冲压钢，屈服强度大于200 MPa，国内开发了S355MC高强度冲压钢，屈服强度大于355 MPa，部分采用QSTE380TM冲压钢，屈服强度大于380 MPa。

2.3 加工设备

轴承制造工艺主要包括套圈锻造、车加工、热处理、粗磨、精磨、探伤和装配等[5]。热处理、套圈磨加工、滚道超精研加工和滚动体加工是轴承生产过程中的关键工序。目前部分轴承企业的关键工序加工设备全部采用国际先进设备，例如：热处理使用爱协林转底炉生产线，可以实现渗碳、碳氮共渗以及贝氏体等温淬火等；套圈磨加工使用TOYO或NOVA磨床，内外圆圆度加工精度可达3 μm，内外圈滚道表面粗糙度Ra值最高可达0.08 μm；滚子超精研加工采用MIKROSA机床，圆度可达0.4 μm，表面粗糙度Ra值最高可达0.06 μm。

2.4 质量管理体系

随着铁路行业的快速发展，轴承企业间竞争与日俱增。铁路客户对轴承供应商要求更加严格，包括综合竞争能力、可靠的车辆运输方案和设施以及运营设备[6-7]。为适应铁路装备的可靠性要求，2006年欧洲铁路工业联合会提出国际铁路行业标准(简称IRIS 标准)，得到了全球部分铁路企业的认可。

目前轨道交通装备企业广泛采用ISO/TS 22163：2017“Rail Transit Industry Quality Management System”管理体系，该体系是基于IRIS 铁路行业的质量管理体系发展起来的，主要关注点是如何有效降低选择供应商的风险和提高整个铁路行业的运行效率。

国内通过ISO/TS 22163 管理体系认证的轴承企业包括瓦轴、洛轴、上海联合滚动和天马等，其产品广泛应用于铁路货车、铁路客车、大功率机车和城轨车辆。

通过完善的质量管理体系，轴承质量原因导致的热轴故障率大幅降低，已达国际先进水平。以瓦轴为例，在轴承生产现场实现可视化管理，设备点检标准文件、检测仪器开工校验标准和作业指导书可视化，可操作性强。所有轴承产品推行批次管理，内外圈标注批次标识，实现产品可追溯。装配过程中对每套轴承单独编码，装配过程数据全部录入系统，记录所有成品轴承检测结果、零件的批次号和供应商等信息，每套轴承的加工信息全程可追溯。推行关键工序影像监控管理，确保关键工序员工操作行为符合规范要求。制定《完善自控、互控、专控机制实施方案》，确保生产过程的自控(操作者自检)、互控(下工序对上工序的验收)、专控(检查员巡检)。建立质量管控信息化平台，实现产品质量信息可追溯查询，从原材料入厂验收到产品出厂全过程的质量检测数据可实现自动采集、上传和统计，实现了数字化、信息化管理。

2.5 试验体系

齿轮箱轴承装车前需经过严格的试验验证，包括轴承台架试验和齿轮箱台架试验。目前国内外没有城轨车辆齿轮箱轴承台架试验标准和行业标准，戚墅堰所根据城轨车辆齿轮箱运行特点和试验经验制定了城轨车辆齿轮箱轴承台架试验企业标准。输入轴圆柱滚子轴承和四点接触球轴承参考TB/T 3017.2—2016《机车车辆轴承台架试验方法第2部分：牵引电机轴承》和TB/T 3017.3—2016《机车车辆轴承台架试验方法第3部分：抱轴箱滚动轴承》，输出轴圆锥滚子轴承参考TB/T 3017.1—2016《机车车辆轴承台架试验方法第1部分：轴箱滚动轴承》和TB/T 3017.3。轴承试验机原理如图6所示。

图6 滚动轴承寿命试验机示意图

轴承台架试验是验证轴承运行性能和承载能力的直接方式，主要考核轴承热性能和耐久性能，验证轴承运行发热、平衡性能及寿命性能。目前城轨车辆齿轮箱轴承要求完成至少60×104km耐久试验，部分型号要求80×104km耐久试验。

齿轮箱台架试验通常按照主机企业与齿轮箱生产企业签订的试验大纲执行，主要包括跑合试验、油位油量试验、齿轮箱倾斜试验、低温启动试验、高温试验、额定转速加载试验、最高设计转速加载试验、最大启动扭矩加载试验、疲劳试验等，验证轴承在多工况下的运行性能。

3 试验对比分析

为对比国产轴承和进口轴承性能的差异，分别将国产轴承与进口轴承安装于某型号城轨车辆齿轮箱开展台架试验。分别进行低温启动试验、疲劳试验、最高设计转速加载试验和高温试验，工况参数见表2。齿轮箱台架试验主要监测轴承温度，分别测量输入轴车轮侧(PW)、输入轴电动机侧(PM)、输出轴车轮侧(GW)、输出轴电动机侧(GM)和润滑油(OIL)的温度，测点如图7所示。每组试验中国产轴承和进口轴承分别取4套，测量正、反转工况下各测点最高温度，取平均值，结果见表3—表6。

表2 齿轮箱台架试验工况参数

图7 齿轮箱温度测点分布图

表3 低温启动试验轴承最高温度

表4 疲劳试验轴承最高温度

表5 最高设计转速加载试验轴承最高温度

表6 高温试验轴承最高温度

由表3—表6可知：

1)对于低温启动试验，正转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL平均最高温度分别比进口轴承低27.0，28.3，4.0，-1.0，2.7 ℃，反转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL测点平均最高温度分别比进口轴承低23.0,23.9,2.5,7.4,1.7 ℃；

2)对于疲劳试验，正转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL平均最高温度分别比进口轴承低3.8，3.7，5.9，8.3，8.2 ℃，反转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL测点平均最高温度分别比进口轴承低4.6，3.6，6.8，7.9，10.5 ℃；

3)对于最高设计转速加载试验，正转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL平均最高温度分别比进口轴承低2.3，-0.4，3.5，4.7，6.0 ℃，反转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL平均最高温度分别比进口轴承低1.3，-1.3，1.6，2.9，5.5 ℃；

4)对于高温试验，正、反转工况下国产轴承测点PW，PM，GW，GM，OIL平均最高温度分别比进口轴承低10.5，12.1，13.5，11.9，11.3 ℃；

5)4种试验中国产轴承大部分测点温度低于进口轴承。

目前城轨列车齿轮箱轴承的更换周期约为120×104km，近期计划将更换周期延长至160×104km，为考核国产轴承耐久性，对齿轮箱轴承进行了240×104km耐久试验，以输出端轴承为例，轴承耐久试验加载参数见表7，试验台具备温度及振动报警功能，实时记录2套试验轴承的温升。

表7 轴承耐久试验加载参数

耐久试验每个试验循环测得轴承温度均被实时记录，由于试验里程过长，只展示部分运行区段的最高有效温度和最高温升，如图8所示：1#，2#轴承的最高有效温度分别为69.5，70.9 ℃，1#，2#轴承的最高温升分别为49.5，50.9 ℃。由于进口轴承未开展耐久试验，无法对比，但从国产轴承耐久试验温度可以看出国产轴承最高温度正常，试验过程中温度无异常波动。

图8 耐久试验输出端轴承温度

拆解耐久试验后的轴承，如图9所示，整体外观正常，各零件未发现明显异常，旋转灵活。试验后的润滑油分析未发现Fe元素超标。

图9 耐久试验后输出端轴承拆解图

综上试验分析可知：国产轴承性能可满足城轨车辆齿轮箱轴承的设计要求。

4 发展趋势

轨道车辆对于安全性要求极高，国产、高精度轴承大批量制造能力和试验数据分析能力与国际一流企业还存在一定差距，国内轴承企业还需重点开展以下研究：

1)提高轴承设计和仿真分析能力，进一步加强人才培养和技术积淀。

2)开展城轨车辆齿轮箱轴承的大批量应用技术研究，保证轴承钢原材料品质和高精度轴承的批量一致性。

3)持续开展大批量的轴承台架试验、齿轮箱台架试验和装车考核试验，积累试验数据并进行分析。

通过不断的技术积累及试验研究，利用大数据分析技术，持续优化轴承结构，以适应我国城市轨道交通的运营工况，最终提出适合国内运营条件的轴承技术标准，为后续城轨车辆齿轮箱轴承的国产化提供技术支持。