铁路轴箱轴承的可靠性

杨晓蔚

(洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

铁路运输的第一位要求是安全性。对于轴箱轴承(包括无轴箱轴承)等关键部位零部件，必须要以其高可靠性来保证铁路机车车辆(简称列车)运行的高安全性[1]。

轴箱轴承的可靠性要求贯穿于设计、制造、试验和应用的全过程，形成了可靠性工程体系。正是由于在各个相关环节中严格实行以可靠性为中心的各种技术与管理措施，特别是与列车同步的维修制度和寿命管理规定，这是保证轴箱轴承达到高可靠性要求的核心内容。

1 可靠性设计

对于轴箱轴承，包括高速动车组轴箱轴承，体现在设计中的可靠性并无更为严格的特殊要求——采用的是普通轴承常规90%的可靠度，而不是95%以上的高可靠度范畴，即设计寿命按L10计算。

在航空发动机等高可靠性关键件的设计中，一般经验准则是“设计寿命应达到规定使用寿命的2倍以上”[2]，即以2倍以上的设计寿命来保证其规定使用寿命的实现。对于轴箱轴承，也完全遵循这一准则，如以安全性要求最高的高速动车组为例，一般要求其轴箱轴承的设计计算寿命(即目标寿命)L10为超过使用寿命的2倍，有的公司则要求超过300万千米，更高者要求超过500万千米，并曾有最高达到848万千米的案例，远高于其规定使用寿命(如90万千米免维修，180万千米报废；或120万千米免维修，240万千米报废)的要求，即采用的是具有较高安全系数的“冗余设计”。

另外，在轴箱轴承L10的确定中，关于当量动载荷的计算，通过动载荷系数fz的设置(fz的一般取值为：机车1.3～1.8；货车、客车1.2～1.5；高速动车组1.3～1.5或高达1.9～2.0)也保证了具有相当程度的安全冗余。

仍以高速动车组轴箱轴承为例，将实际应用中设计计算寿命L10平均约为400万千米分别与规定使用寿命L′10(120万千米和240万千米)作简单计算，得到可靠度修正系数a1。

对照国际标准ISO 281：2007(E)《滚动轴承 额定动载荷和额定寿命》给出的可靠度与修正系数a1之间的关系(表1)可知：对于120万千米免维护的寿命要求，可靠度约为98.5%；对于240万千米报废的寿命要求，可靠度接近于95%。

表1 可靠度修正系数a1

若再计入动载荷系数fz的冗余，轴箱轴承的设计可靠度会更高。

设计可靠性称之为产品的固有可靠性。固有可靠性越高，产品的使用性能和寿命可靠性越有保证。轴箱轴承的设计计算寿命要求是国际著名轴承公司基于长期积累的轴箱轴承失效经验和规律而总结形成的，故具有很高的可信度。

2 可靠性制造

保证产品可靠性的重要思路之一是从失效机理入手，严格控制甚至消除可能导致产品失效的缺陷。制造过程是体现这一要求的重要环节。

轴箱轴承的失效形式主要有滚动工作面疲劳、保持架断裂、密封失效及内圈内径面蠕动烧粘等。轴箱轴承若严重失效，将会导致热轴、切轴发生，直接威胁行车安全。因此在制造中主要通过制订和执行严格的产品标准及相关的工艺规程、操作规范等来实行质量控制与保证。

(1)我国有关铁路轴箱轴承的铁路行业标准TB/T 2591—2007《铁路机车滚动轴承订货技术条件》和TB/T 2235—2010《铁道车辆滚动轴承技术条件》中规定了以下主要内容：

a.原材料及热处理——机车轴箱轴承套圈采用电渣重熔或真空脱气钢GCr18Mo制造并应进行贝氏体淬火；车辆轴箱轴承中圆柱滚子轴承套圈采用电渣重熔钢GCr18Mo 制造，圆锥滚子轴承套圈采用电渣重溶钢G20CrNi2MoA制造，滚子采用电渣重溶钢GCr15制造；

b.滚子凸度——滚子素线应进行凸度修型;

c.保持架——分别采用钢板冲压筐形保持架、铜制实体保持架和玻璃纤维增强聚酰胺保持架;

d.扩张试验——机车和客车轴箱用圆柱滚子轴承内圈应进行扩张试验;

e.探伤和裂纹检查——轴承套圈和滚子应进行100%的磁粉探伤及其他方法的裂纹检查。

通过对以上规定的技术背景进行深入解读，可进一步明确其目的。

a.采用电渣重熔或真空脱气钢——电渣重熔与真空脱气钢相比，尽管氧含量较高(目前真空脱气钢一般为5×10-6～15×10-6，电渣重熔钢一般为15×10-6～25×10-6)，但其具有非金属夹杂物少且细小均匀、组织致密度高、内部和表面质量优良等特点，因此寿命长且离散度小，可靠性水平高且非常稳定。高纯净度的优质真空脱气钢也能达到电渣重熔钢的相似性能。采用电渣重熔或真空脱气钢制造轴箱轴承可很好地保证实现其使用寿命要求。对采用GCr18Mo限制性淬透钢制造的套圈进行下贝氏体等温淬火热处理可显著提高其冲击韧性，有效避免淬火裂纹、磨削裂纹及装用后产生的断裂破坏。

b.采用凸度滚子——对圆锥滚子或圆柱滚子的直素线进行凸度修型，采用圆弧全凸修型，特别是采用对数曲线凸度修型，可有效解决滚子端部与滚道接触处的应力集中现象，使应力沿滚子有效接触长度分布均匀，避免出现早期疲劳剥落破坏。

c.内圈进行扩张试验——这是由于轴箱轴承为内圈旋转，内圈必须压装到车轴上形成过盈配合，以免产生松动、蠕动、摩擦发热和摩擦锈蚀等现象。为了防止内圈安装时由于处于扩张状态下拉应力过大而产生裂纹或断裂破坏，应进行扩张量大于数倍(如3.5倍)过盈量的扩张试验。扩张试验后的内圈进行磁粉探伤检查不应有裂纹。

(2)在全球公认的铁路轴箱轴承权威标准——欧洲标准BS EN 12080：2007《铁路应用 轴箱 滚动轴承》中也有相应的规定，如：

a.套圈和滚动体所用钢材按照EN ISO 683—17《球和滚子轴承钢》的评级进行选用；

b.内圈(表面淬硬钢和贝氏体淬火钢内圈除外)应进行扩张试验；

c.套圈内部缺陷(非金属夹杂物、气泡等)检查采用超声波；套圈表面缺陷(磨削裂纹、热处理淬火裂纹、轧制或锻造疤痕、刮伤等)检查采用磁粉探伤；滚动体表面缺陷(磨削裂纹、热处理淬火裂纹、拉伸及打印的线状刻痕等)检查采用涡流探伤。对于列车运行速度超过200 km/h的轴承，应采用最高质量级别“1级”(Class 1)的要求；低于200 km/h的轴承，可采用“2级”(Class 2)的要求。

通过上述的主要措施及相关要求，将易导致轴箱轴承早期失效和正常失效的各种机理性原因(如裂纹、断裂及疲劳等)都在制造过程中进行了控制，因此可有效保证轴箱轴承的可靠性。

3 可靠性试验

保证产品可靠性的另一个重要思路是通过试验(包括常规试验、强化试验及模拟试验等)予以验证、分析及改进提高。

对于轴箱轴承设计与制造的可靠性(包括研发、试制和量产阶段)，通常必须按照欧洲标准BS EN 12082：1998《铁路应用 轴箱 性能试验》的规定进行台架试验和运行试验。

(1)台架试验。台架试验为性能试验。性能试验前需先进行预备试验，目的是观察轴承的热反应并促使油脂重新分布。预备试验包括4个循环，每个循环由2个基本行程组成，一个旋转方向为一个行程，转速分别为名义转速的20%，50%，75%和100%。每个行程由启动、恒速、减速和停止4个阶段组成，仅施加径向载荷。

性能试验是在名义转速下重复同样的循环，直到规定的累积行程。每个循环由2个基本行程组成，一个旋转方向为一个行程。2个行程中有一个短暂的停止，每个行程都由启动、恒定的最大转速(110%名义转速)、减速和停止4个阶段组成，施加一恒定的径向载荷和一交变的轴向载荷。

(2)运行试验。运行试验为耐久性试验，按照列车运行速度确定累积行程或时间：列车运行速度不超过200 km/h，至少 60万千米或2年；列车运行速度超过200 km/h，至少100万千米。

4 可靠性应用

轴箱轴承应用可靠性主要通过监测、检修和更换予以维护。

(1)监测。轴承状态监测一直是铁路安全监测的主要内容。在列车运行过程中，通过车载轴温报警器、地面红外线轴温探测系统及轴承早期故障诊断装置等实时监测轴箱及轴承的工作状态，及时发现失效前兆信号并进行安全处置。

(2)检修和更换。列车的维修制度(简称修制)非常严格，一般分为日常检修、定期检修、转向架检修和大修4级，检修模式由过去的定期修逐步改为按走行里程修为主、定期修为辅的模式，并大力推广换件修、集中修等先进的检修方式。对于高速动车组实行的修制则更为严格，如我国CRH系列动车组分为5级修程[3]，其中1，2级为运用检修，3，4，5级为定期检修，规定的检修周期见表2。对于要求高可靠性的系统，通过对系统中的低可靠性环节采取加大检修频度和缩短更换周期等措施即可实现系统所预期的可靠性要求。

表2 CRH系列动车组检修周期

(3)寿命管理。在轴箱轴承的修制中，最核心的内容是实行严格的寿命管理。以安全性要求最高的客运为例，客车和高速动车组轴箱轴承的寿命管理规定见表3。

表3 客车和高速动车组轴箱轴承的寿命管理规定

寿命管理建立在科学性的基础上。长期而大量的实际应用证明，轴箱轴承的失效符合浴盆曲线，如图1所示。根据这一失效规律，由于新轴承存在早期失效概率较高的风险，因此应严格质保期要求，同时加大检修频度，以期能够有效控制早期失效的发生。而使用1个周期后经检查没有发现问题的轴承，已经进入稳定运转阶段，可再使用1或2个及以上周期，然后在疲劳老化阶段前强制报废，此时失效率最低。相反，若在使用1个周期后全部更换为新轴承，不仅不能提高其可靠性，而且还存在着又面临早期失效频发的更大风险。

图1 轴箱轴承失效的浴盆曲线

5 结束语

可靠性是设计出来的，同时也是经制造、试验、应用及维修等实现出来的。铁路轴箱轴承技术状态直接关系到列车的运行品质、速度和安全性，必须在各个环节给予充分重视和保障，才能以其长时间免维护的高可靠性实现铁路运输的高安全性。

铁路轴箱轴承尽管是列车运行系统的关键零部件，但也是可维修件和易更换件，因此按照可靠性原理，对其设计的固有可靠性可不必过高追求，而应在制造中严格进行产品质量控制和质量体系保证，最重要的是基于长期的工程应用经验积累与规律总结，通过实时监测、及时检修，特别是设定严格的寿命管理进行强制报废与更换，控制或避免由于轴承严重失效导致行车危险事故，特别是重大财产损失和人身伤害事故的发生，这才是实现保证列车运行安全性的最关键措施。