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鐵道車輛用軸承潤滑技術

智千重公司
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摘要:最近的鐵道車輛用車軸、牽引電動機及齒輪裝置用軸承,要求實現高速化、輕量化及緊湊化,下面介紹在上述背景下,鐵道車輛用軸承及其潤滑技術的新動向。
最近的鐵道車輛用車軸、牽引電動機及齒輪裝置用軸承,要求實現高速化、輕量化及緊湊化,以提高性能,同時,在軸承維修方面,迫切要求延長分解檢查周期,延長工作壽命。下面介紹在上述背景下,鐵道車輛用軸承及其潤滑技術的新動向。
 
1、車軸軸承所要求的功能
 
車軸軸承除了承受由車輛質量及裝載質量構成的靜態、動態徑向載荷外,還要承受軸向非恒定的推力。軸承是走行裝置中的一個零部件,因而其故障對于車輛運行產生重大影響。因此,長期以來,在軸承結構的選擇、設計制造方面進行了周密考慮。車軸軸承在適應各個時期車輛的需要中得到了發展,而最近要求車軸軸承高速化、輕量化、免維修化。
 
關于新干線的提速,從1992年JR東海公司300系新干線電動車組開始,以最高速度270km/h運營,1997年JR西日本公司采用500系新干線電動車組開始速度300km/h的運營。即使是既有線車輛,1989年JR東日本公司651系特快電動車組也首次開始130km/h的運營。以后,JR各公司競相在既有線上進行了列車提速。在上述的列車提速中車軸軸承在結構上取得了新的發展。
 
第二個重要條件是輕量化,特別是列車高速化時迫切要求車輛自身的輕量化。車輛的輕量化關系到節能,同時是為減輕對軌道影響的必要條件。另外,降低簧下質量及簧間質量(軸彈簧與空氣彈簧間的質量),可認為有利于高速運行時的穩定性,從而也要求車軸軸承輕量化。
 
尤其是最近以來,根據鐵道公司經營上的理念,迫切要求免維修化,根據運輸省命令規定,日本鐵道車輛按照指定的運行里程或運行時間施行檢查或修理。最近,延長車輛檢修周期成為發展方向。例如,新干線檢修車輛的全面檢查,目前是不滿90萬km或運行不滿3年;而21世紀初期目標是延長到運行120萬km。目前,車軸軸承在轉向架檢查周期中施行檢修,但將來要求運行120萬km免維修。
 
2、車軸軸承的壽命與維修
 
車軸軸承是考慮直至滾子、滾道表面發生剝離的壽命進行設計的。關于維修,新干線電動車組轉向架檢查(運行不滿1年或45萬km)及全面檢查(運行不滿3年或90萬km),既有線電動車組重要部位檢查(運行不滿4年或60萬km)及全面檢查(運行不滿8年)時,車軸軸承進行分解檢查,同時,對新干線達到運行一定里程(300萬km)或年數(6年~7年),就有計劃地進行更換。迄今為止的實績,沒有由于產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軸承的潤滑脂與密封的壽命成為關鍵問題。目前,新干線車輛每次轉向架檢查中都進行車軸軸承檢修,但在既有線車輛中,到全面檢查輪徑到達限度值(運行平均為100萬km左右)前,不取出密封型車軸軸承作檢查,從而,至關重要的問題是確保潤滑脂與密封最短也要達到上述的壽命。

3、牽引電動機用軸承
 
電動車牽引電動機的轉矩通過聯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軸上的大齒輪上,最后成為輪軌間的驅動力及制動力。牽引電動機及齒輪機構的旋轉裝置中使用的軸承很重要。牽引電動機/齒輪裝置間的聯軸節方式各不相同,圖3為平行萬向聯軸節式驅動裝置的典型實例,表示其軸承位置。窄軌線路上運行的電動車,由于轉向架空間的關系,可使用撓性板聯軸節;而在軌距較寬的線路上運行的新干線電動車使用了齒輪聯軸節。最近,由于牽引電動機的緊湊化,連既有線電動車也采用了短距離內產生必要撓性位移的CFRP板聯軸節。
 
4、牽引電動機用軸承功能
 
電動車牽引電動機用軸承承受由轉子軸及聯軸節的質量產生的徑向載荷,進行高dmN值(軸承滾動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。由于運行時轉向架振動的影響,軸承承受動載荷,由于靜態質量相對較小,牽引電動機用軸承的計算壽命,比車軸用軸承及齒輪裝置用軸承的壽命長很多。通常,這類軸承型式是,齒輪側使用圓柱滾動承;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的作用,采用潤滑脂潤滑。近年來的新型電動車安裝了VVVF控制的交流電動機,其電機實現了輕量化、緊湊化,且保持高速運轉。圖4表示有關新干線與既有線電動車運營的最高速度與牽引電動機軸承(齒輪側)的dmN值的關系。新干線與既有線車輛牽引電動機用軸承的dmN值基本上相
 
同,而相對應的大、小齒輪間的傳動比:新干線電動車大致為2~3;而既有線電動車大致為4~7,后者是前者的2倍。因此,車輛運行一定距離時的軸承累計旋轉數,既有線電動車是新干線電動車的2倍左右。
 
采用交流電動機時,為處理軸承的高速旋轉與牽引電動機各部件的溫度上升問題,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。隨著牽引電動機采用交流電動機,以提高耐熱性、耐久性為目標,開發了復合鋰基皂性潤滑脂,廣泛應用于以300系新干線電動車為首的采用了交流電動機的車輛上,在采用了交流電動機的新型既有線電動車輛牽引電動機上,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;通過軸承絕緣防止電蝕;通過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體旋轉運動的軸承零件,而其自身的旋轉導向有沿外圈內徑面進行導向的方式(外圈導向)和利用滾動體(滾子)的滾動面進行導向(滾動體導向)的方式。外圈導向時的保持架,由于與外圈內徑面之間形成滑動接觸,如因潤滑脂老化及產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。而滾動體導向方式由于與滾動面的滑動接觸,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的進步及成本降低等效果,最近,牽引電動機軸承正在使用滾動體導向的保持架。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系新干線主電動機軸承,并擴大應用于其他新干線電動車上。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物理性質的比較。在熱力性質、機械性質及絕緣破壞特性等物理性質方面,氧化鋁陶瓷優于PPS樹脂,但是,PPS雖稍微遜色,實際應用上并無問題,況且由于成本方面的優勢,PPS樹脂被覆的絕緣軸承,最先應用于以JR東日本公司E209系的電動車上,并大量應用于安裝了交流電動機的新型既有線電動車上。
 
開發絕緣軸承時,不僅針對軸承旋轉所必需的特性進行了試驗,而且進行了與軸箱的分解組裝試驗,還設定了軸承的藥液清洗,進行了液體浸漬試驗等一系列從維修方面考慮的評價試驗。
 
5、牽引電動機軸承的新維修法
 
300系新干線電動車以交流電動機的應用為契機,為替代以往的分解檢查法,進行了主要以軸承部分為對象的牽引電動機的非分解檢查法的開發。對于運行到檢查周期距離的車輛用牽引電動機,在完全非分解狀態下實施軸承有無異常的檢測,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對軸承的振動法及采用了熒光X射線的潤滑脂的現場(就地)分析來進行的,采用組合了高溫、高壓水及真空吸引的裝置實施潤滑脂的清洗。
 
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對的單列圓錐滾動軸承,小齒輪軸承由牽引電動機側與車輪側的正面組合構成;大齒輪軸承由于聯軸節不同,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,一方面承受運行時的振動,一方面將旋轉力平穩地傳遞到車軸上。它是在嚴格條件下使用的一種軸承,包含了振動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,對以考慮了動載荷系數的齒輪嚙合反力,和運行時的振動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,300系以后的新干線電動車齒輪箱由以往的鑄鋼材料改為鋁合金(JISAC4C)材,結果表明,實現了小型化,其質量為以往的?.左右,減輕了簧下質量,從而有利于降低軸承載荷。最近,新干線電動車軸承的尺寸隨著轉向架零部件的輕量化正在實現小型化。
 
圓錐滾動軸承由于內圈大擋邊與圓錐滾子的大端面形成滾動、滑動接觸,接觸點的表面壓力與滑動速度V的積即PV值,作為對于發生熱膠著及咬傷限界的一種目標。圖7表示關于最近新干線和既有線電動車齒輪裝置的PV值分布。圖7中各曲線對應于具體的車輛,這里所謂的額定運轉速度,如用各車輛的最高運行速度的比例表示,停車次數多的既有線電動車大致為37%~66%;而新干線電動車大致相當于55%~74%的速度范圍。另外,P的值以不包含振動、沖擊等動態載荷為前提。新干線電動車與既有線電動車之間表面壓力及接觸點的滑動速度看來存在若干差異,但是如用PV值來看則無大的差異。
 
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,受到車輛運行時振動的影響,保持架各部分產生各種高頻交變應力。特別是新干線電動車高速化時,確保保持架的疲勞強度的可靠性是技術課題。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,同時提高疲勞強度的方法等,顯著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電動車齒輪裝置,由于潤滑油的攪拌,溫度上升較高,為了防止長時間使用下因內圈內徑尺寸的增大引起軸承內圈的蠕動,軸承內圈一般施行尺寸穩定化熱處理。既有線電動車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、滑動接觸部的油膜破裂(斷油)產生的現象,但與前述的PV值之間的直接關系并不密切。傳動比大的既有線電動車起動時齒輪高加速旋轉,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,有產生油膜破裂的情形。通常運轉時并不會產生什么問題,但是在冬季起動時,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,采取使內圈大擋邊與滾子大端面的接觸處移動到旋轉中心,降低接觸點的滑動速度和改善接觸面的表面粗糙度等措施,來防止內圈擋邊的燒傷。
 
8、結束語
 
鐵道車輛用軸承在適應于各個時期的需求中獲得發展,今后的課題是,為實現更長時間的免維修,更正確地掌握以實際承受載荷為首的使用條件,另外,現在軸承材料顯著進步,在提高滾動疲勞強度措施方面,從滾子與擋邊或保持架等滑動接觸部分的摩擦學方面進行研究是至關重要的課題。
 
 
 
 
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