關(guān)注我們:

鐵道車(chē)輛用軸承潤滑技術(shù)

2024論壇
打印 RSS
字號:T|T
摘要:最近的鐵道車(chē)輛用車(chē)軸、牽引電動(dòng)機及齒輪裝置用軸承,要求實(shí)現高速化、輕量化及緊湊化,下面介紹在上述背景下,鐵道車(chē)輛用軸承及其潤滑技術(shù)的新動(dòng)向。
最近的鐵道車(chē)輛用車(chē)軸、牽引電動(dòng)機及齒輪裝置用軸承,要求實(shí)現高速化、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(cháng)分解檢查周期,延長(cháng)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,因而其故障對于車(chē)輛運行產(chǎn)生重大影響。因此,長(cháng)期以來(lái),在軸承結構的選擇、設計制造方面進(jìn)行了周密考慮。車(chē)軸軸承在適應各個(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(xiàn)的提速,從1992年JR東海公司300系新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)組開(kāi)始,以最高速度270km/h運營(yíng),1997年JR西日本公司采用500系新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)組開(kāi)始速度300km/h的運營(yíng)。即使是既有線(xiàn)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的運營(yíng)。以后,JR各公司競相在既有線(xiàn)上進(jìn)行了列車(chē)提速。在上述的列車(chē)提速中車(chē)軸軸承在結構上取得了新的發(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)系到節能,同時(shí)是為減輕對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),可認為有利于高速運行時(shí)的穩定性,從而也要求車(chē)軸軸承輕量化。
 
尤其是最近以來(lái),根據鐵道公司經(jīng)營(yíng)上的理念,迫切要求免維修化,根據運輸省命令規定,日本鐵道車(chē)輛按照指定的運行里程或運行時(shí)間施行檢查或修理。最近,延長(cháng)車(chē)輛檢修周期成為發(fā)展方向。例如,新干線(xiàn)檢修車(chē)輛的全面檢查,目前是不滿(mǎn)90萬(wàn)km或運行不滿(mǎn)3年;而21世紀初期目標是延長(cháng)到運行120萬(wàn)km。目前,車(chē)軸軸承在轉向架檢查周期中施行檢修,但將來(lái)要求運行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)行設計的。關(guān)于維修,新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)組轉向架檢查(運行不滿(mǎn)1年或45萬(wàn)km)及全面檢查(運行不滿(mǎn)3年或90萬(wàn)km),既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)組重要部位檢查(運行不滿(mǎn)4年或60萬(wàn)km)及全面檢查(運行不滿(mǎn)8年)時(shí),車(chē)軸軸承進(jìn)行分解檢查,同時(shí),對新干線(xiàn)達到運行一定里程(300萬(wàn)km)或年數(6年~7年),就有計劃地進(jìn)行更換。迄今為止的實(shí)績(jì),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)確認有壓痕、傷痕等而更換軸承的情況,計劃更換的比例占了大多數。
 
潤滑脂密封型圓錐滾動(dòng)軸承的潤滑脂與密封的壽命成為關(guān)鍵問(wèn)題。目前,新干線(xiàn)車(chē)輛每次轉向架檢查中都進(jìn)行車(chē)軸軸承檢修,但在既有線(xiàn)車(chē)輛中,到全面檢查輪徑到達限度值(運行平均為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)題是確保潤滑脂與密封最短也要達到上述的壽命。

3、牽引電動(dòng)機用軸承
 
電動(dòng)車(chē)牽引電動(dòng)機的轉矩通過(guò)聯(lián)軸節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動(dòng)力及制動(dòng)力。牽引電動(dòng)機及齒輪機構的旋轉裝置中使用的軸承很重要。牽引電動(dòng)機/齒輪裝置間的聯(lián)軸節方式各不相同,圖3為平行萬(wàn)向聯(lián)軸節式驅動(dòng)裝置的典型實(shí)例,表示其軸承位置。窄軌線(xiàn)路上運行的電動(dòng)車(chē),由于轉向架空間的關(guān)系,可使用撓性板聯(lián)軸節;而在軌距較寬的線(xiàn)路上運行的新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)使用了齒輪聯(lián)軸節。最近,由于牽引電動(dòng)機的緊湊化,連既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)也采用了短距離內產(chǎn)生必要撓性位移的CFRP板聯(lián)軸節。
 
4、牽引電動(dòng)機用軸承功能
 
電動(dòng)車(chē)牽引電動(dòng)機用軸承承受由轉子軸及聯(lián)軸節的質(zhì)量產(chǎn)生的徑向載荷,進(jìn)行高dmN值(軸承滾動(dòng)體的節圓直徑與旋轉速度的積)的旋轉,并且頻繁而交替地運轉、停止。由于運行時(shí)轉向架振動(dòng)的影響,軸承承受動(dòng)載荷,由于靜態(tài)質(zhì)量相對較小,牽引電動(dòng)機用軸承的計算壽命,比車(chē)軸用軸承及齒輪裝置用軸承的壽命長(cháng)很多。通常,這類(lèi)軸承型式是,齒輪側使用圓柱滾動(dòng)承;與齒輪相反的另一側采用深槽滾珠軸承,它兼具支承轉子軸軸向運動(dòng)的作用,采用潤滑脂潤滑。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,其電機實(shí)現了輕量化、緊湊化,且保持高速運轉。圖4表示有關(guān)新干線(xiàn)與既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)運營(yíng)的最高速度與牽引電動(dòng)機軸承(齒輪側)的dmN值的關(guān)系。新干線(xiàn)與既有線(xiàn)車(chē)輛牽引電動(dòng)機用軸承的dmN值基本上相
 
同,而相對應的大、小齒輪間的傳動(dòng)比:新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)大致為2~3;而既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)大致為4~7,后者是前者的2倍。因此,車(chē)輛運行一定距離時(shí)的軸承累計旋轉數,既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)是新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)的2倍左右。
 
采用交流電動(dòng)機時(shí),為處理軸承的高速旋轉與牽引電動(dòng)機各部件的溫度上升問(wèn)題,在提高軸承及潤滑脂的耐熱性、耐久性上下了功夫。通常,直流電動(dòng)機采用了鋰基潤滑脂潤滑,它是一般旋轉機械軸承用的一種潤滑脂。隨著(zhù)牽引電動(dòng)機采用交流電動(dòng)機,以提高耐熱性、耐久性為目標,開(kāi)發(fā)了復合鋰基皂性潤滑脂,廣泛應用于以300系新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)為首的采用了交流電動(dòng)機的車(chē)輛上,在采用了交流電動(dòng)機的新型既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)輛牽引電動(dòng)機上,也廣泛應用了這種潤滑脂。在軸承方面,由于改變保持架導向方式,減少了潤滑脂的老化;通過(guò)軸承絕緣防止電蝕;通過(guò)尺寸穩定化熱處理的應用,抑制了軸承尺寸的變化。保持架是高精度地維持滾動(dòng)體旋轉運動(dòng)的軸承零件,而其自身的旋轉導向有沿外圈內徑面進(jìn)行導向的方式(外圈導向)和利用滾動(dòng)體(滾子)的滾動(dòng)面進(jìn)行導向(滾動(dòng)體導向)的方式。外圈導向時(shí)的保持架,由于與外圈內徑面之間形成滑動(dòng)接觸,如因潤滑脂老化及產(chǎn)生電蝕等導致潤滑性能降低,則保持架導向面及外圈內徑面易引起磨耗。而滾動(dòng)體導向方式由于與滾動(dòng)面的滑動(dòng)接觸,更容易確保油潤,即使潤滑條件降低的情形下,也有利于防止潤滑脂老化,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)機軸承正在使用滾動(dòng)體導向的保持架。為防止電蝕,采取了各種對策,也提高了效果,確認軸承的絕緣是最有效的方法。軸承的絕緣處理有對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(圖5)。
 
陶瓷被覆的絕緣軸承首先應用于300系新干線(xiàn)主電動(dòng)機軸承,并擴大應用于其他新干線(xiàn)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。表1是氧化鋁陶瓷與PPS物理性質(zhì)的比較。在熱力性質(zhì)、機械性質(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)際應用上并無(wú)問(wèn)題,況且由于成本方面的優(yōu)勢,PPS樹(shù)脂被覆的絕緣軸承,最先應用于以JR東日本公司E209系的電動(dòng)車(chē)上,并大量應用于安裝了交流電動(dòng)機的新型既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)上。
 
開(kāi)發(fā)絕緣軸承時(shí),不僅針對軸承旋轉所必需的特性進(jìn)行了試驗,而且進(jìn)行了與軸箱的分解組裝試驗,還設定了軸承的藥液清洗,進(jìn)行了液體浸漬試驗等一系列從維修方面考慮的評價(jià)試驗。
 
5、牽引電動(dòng)機軸承的新維修法
 
300系新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)以交流電動(dòng)機的應用為契機,為替代以往的分解檢查法,進(jìn)行了主要以軸承部分為對象的牽引電動(dòng)機的非分解檢查法的開(kāi)發(fā)。對于運行到檢查周期距離的車(chē)輛用牽引電動(dòng)機,在完全非分解狀態(tài)下實(shí)施軸承有無(wú)異常的檢測,及對再使用軸承的潤滑脂清洗并重新填充潤滑脂等。軸承是否有異常的檢測是通過(guò)對軸承的振動(dòng)法及采用了熒光X射線(xiàn)的潤滑脂的現場(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對的單列圓錐滾動(dòng)軸承,小齒輪軸承由牽引電動(dòng)機側與車(chē)輪側的正面組合構成;大齒輪軸承由于聯(lián)軸節不同,有背面組合與正面組合。齒輪裝置的軸承作用是,作為支承機構,一方面承受運行時(shí)的振動(dòng),一方面將旋轉力平穩地傳遞到車(chē)軸上。它是在嚴格條件下使用的一種軸承,包含了振動(dòng)條件的載荷與轉速是軸承的主要設計依據,其潤滑采用80號或90號齒輪油油浴潤滑。作為軸承載荷,可按齒輪裝置額定轉矩工況下,對以考慮了動(dòng)載荷系數的齒輪嚙合反力,和運行時(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,求出軸向及徑向的軸承載荷。近年來(lái),300系以后的新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)齒輪箱由以往的鑄鋼材料改為鋁合金(JISAC4C)材,結果表明,實(shí)現了小型化,其質(zhì)量為以往的?.左右,減輕了簧下質(zhì)量,從而有利于降低軸承載荷。最近,新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)軸承的尺寸隨著(zhù)轉向架零部件的輕量化正在實(shí)現小型化。
 
圓錐滾動(dòng)軸承由于內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,作為對于發(fā)生熱膠著(zhù)及咬傷限界的一種目標。圖7表示關(guān)于最近新干線(xiàn)和既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)齒輪裝置的PV值分布。圖7中各曲線(xiàn)對應于具體的車(chē)輛,這里所謂的額定運轉速度,如用各車(chē)輛的最高運行速度的比例表示,停車(chē)次數多的既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)大致為37%~66%;而新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)大致相當于55%~74%的速度范圍。另外,P的值以不包含振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)載荷為前提。新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)與既有線(xiàn)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)生各種高頻交變應力。特別是新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)高速化時(shí),確保保持架的疲勞強度的可靠性是技術(shù)課題。采用提高保持架的板厚,以增強剛性,降低應力,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)提高疲勞強度的方法等,顯著(zhù)改善了保持架的疲勞強度。
 
具有高速、連續運轉特征的新干線(xiàn)電動(dòng)車(chē)齒輪裝置,由于潤滑油的攪拌,溫度上升較高,為了防止長(cháng)時(shí)間使用下因內圈內徑尺寸的增大引起軸承內圈的蠕動(dòng),軸承內圈一般施行尺寸穩定化熱處理。既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)的小齒輪軸承有出現內圈擋邊燒傷的情形,這是由于圖6所示內圈的大擋邊面與滾子端面間的滾動(dòng)、滑動(dòng)接觸部的油膜破裂(斷油)產(chǎn)生的現象,但與前述的PV值之間的直接關(guān)系并不密切。傳動(dòng)比大的既有線(xiàn)電動(dòng)車(chē)起動(dòng)時(shí)齒輪高加速旋轉,由于快速的溫度上升,容易導致軸承軸向間隙減小,內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。通常運轉時(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,潤滑油粘度高,有潤滑油難以巡回的現象。對于內圈擋邊燒傷,著(zhù)眼于加大軸承軸向間隙管理值的下限,改善齒輪箱內的潤滑結構,對于寒冷地區,適當降低潤滑油粘度等。此外,可在軸承設計方面予以改進(jìn),采取使內圈大擋邊與滾子大端面的接觸處移動(dòng)到旋轉中心,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)防止內圈擋邊的燒傷。
 
8、結束語(yǔ)
 
鐵道車(chē)輛用軸承在適應于各個(gè)時(shí)期的需求中獲得發(fā)展,今后的課題是,為實(shí)現更長(cháng)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,現在軸承材料顯著(zhù)進(jìn)步,在提高滾動(dòng)疲勞強度措施方面,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。
 
 
 
 
中國潤滑油網(wǎng)版權與免責聲明:

1、凡本網(wǎng)注明“來(lái)源:XXX(非中國潤滑油網(wǎng))”的作品,均轉載自其它媒體,轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀(guān)點(diǎn)和對其真實(shí)性負責。本網(wǎng)轉載其他媒體之稿件,意在為公眾提供免費服務(wù)。如稿件版權單位或個(gè)人不想在本網(wǎng)發(fā)布,可與本網(wǎng)聯(lián)系,本網(wǎng)視情況可立即將其撤除。
2、如因作品內容、版權和其它問(wèn)題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的,請30日內進(jìn)行。