设计速度120 km/h的城市轨道交通车辆轴箱轴承延长维修周期研究

赵伟龙 郑 玄

(广州地铁集团有限公司， 510145， 广州∥第一作者， 工程师)

根据城市轨道交通车辆维修手册的一般要求，地铁车辆一般每隔5年或每运行60万km需要开展一次架修或大修。在2005年之前，国内城市轨道交通车辆的设计速度主要以80 km/h为主，车辆运营里程和时间周期通常能够形成良好的匹配。但随着城市的扩张、人员和产业的外移，更高速度的城市轨道交通车辆逐步投入运营。广州地铁3号线是国内最早采用120 km/h设计速度车辆的城市轨道交通线路，该型车辆轴承采用的是BT2-8670-01轴承。因列车的高速特性，导致车辆运营里程上升非常迅速，运行3年甚至更短时间即达到60万km，车辆运营里程与时间无法形成良好匹配。列车维修也十分频繁，这造成车辆的可用性低和维修的经济性差。而车辆的轴箱轴承作为列车安全可靠运行的核心部件，是限制车辆能否延长维修里程和周期的关键。本文通过分析BT2-8670-01轴承早期由缺陷及油脂参数，开展了延长轴箱轴承维修周期的研究，为车辆维修周期优化提供依据。

1 BT2-8670-01轴承介绍

BT2-8670-01轴承是由SKF(瑞典滚珠轴承制造公司)的北京南口斯凯孚铁路轴承公司生产的双列圆锥滚子轴承，主要是为国内设计速度120 km/h的城市轨道交通车辆研发的，为整体自密封结构。其结构及装配方式如图1所示。该轴承设计时充分考虑了城市轨道交通车辆的运用特点，保持架采用塑钢材质，发生碎裂故障时保持架能起到短时润滑作用，保证车辆能够运行至存车线或厂段，以减少对正线的影响。该型号轴承目前已经在上海、深圳、武汉、长沙和南宁等城市的地铁车辆上广泛使用。

2 BT2-8670-01轴承的运用状态分析

2.1 轴承运用及维修总体概况

轴承的运用主要参考SKF的使用建议，在维修周期内免维护，日常主要通过检查轴箱温度变化来判断内部轴承状态。在轴承运用60万～80万km时，需要进行退卸，并返厂检查维修。其中对检查合格的轴承，重新组装后继续装车使用；对存在初期缺陷的轴承，不再继续使用。通常，在200万km寿命期内维修次数不超过2次。

注：1——轴箱；2——轴承内圈内环；3——轴承外圈；4——滚子保持架；5——调整隔环；6——轴承滚子；7——密封罩；8——轴箱外端盖；9——轴承挡板；10——挡板固定螺钉；11——外端盖安装螺栓；12——密封圈；13——内端盖安装螺栓；14——定距环；15——定距环座；16——轮轴；17——轴箱内端盖。

自2005年广州地铁第1批BT2-8670-01轴承装车上线运营以来，均未出现过因轴承本身原因引起的在线故障。轴承故障全部为在返厂检查维修过程中发现的早期缺陷。

2.2 轴承主要缺陷形式

对2012年9月至2017年12月返厂检查维修的4 273套轴承中发现的211项早期缺陷进行了统计，轴承的主要缺陷形式、占比和主要原因如表1所示。

2.3 轴承早期缺陷发生率分析

对2010年至2017年送检的4 678套轴承的早期缺陷进行了统计，第1次送检和第2次送检轴承的早期缺陷发生率与运营里程的对应情况如表2所示。

在现维修周期下，轴承的早期缺陷发生率暂未呈现出随运营里程增加而增加的态势。

第2次送检中，90万～100万km运营里程范围的轴承早期缺陷率较高，主要是在该运营里程范围内送检轴承的基数较少，样本相对缺乏；130万～140万km运营里程范围的轴承早期缺陷率高，主要是因为个别列车的车辆轴箱装配密封不良导致轴承锈蚀较多。

其中，第1次送检的平均早期缺陷发生率约为4.58%，第2次送检的平均早期缺陷发生率约为6.11%。因轴承在第2次送检时，已经在首次维修过程中对有缺陷的轴承予以报废处理，所以6.11%仅代表第2次维修的早期缺陷发生率。一批轴承在运用周期内两次送检的综合早期缺陷发生率S可按式(1)计算：

表1 轴承早期缺陷各种形式的占比及引起缺陷的主要原因

S=S1+S2(1-S1)

(1)

式中：

S1——轴承第1次送检的早期缺陷发生率；

S2——轴承第2次送检的早期缺陷发生率。

表2 轴承送检的早期缺陷发生率与运营里程的对应情况

按式(1)进行综合计算，则各运营里程范围内轴承两次送检的综合早期缺陷发生率如表3所示。

表3 两次送检轴承综合早期缺陷发生率

3 延长轴承维修周期研究

3.1 研究方法

因轴承的维修周期受轨道状态、车辆运用条件、载客量和外部环境等多种因素叠加影响，暂无精确的计算方法。本次研究主要通过实践的方式对轴承的维修周期进行逐级提升验证。具体方法如下：

1) 选取部分列车，在加强日常检查的基础上(检查轴箱温度)，使轴承的连续运营里程突破80万km，但不超过100万km，将轴承退卸后返厂检查，对比原运用周期轴承的综合早期缺陷发生率与报废原因，并抽检测油品状态；

2) 选取部分列车，对轴箱轴承进行实时在线监测，使轴承的连续运营里程分别达到110万km和120万km，将轴承退卸后返厂检查，对比原运用周期轴承的综合早期缺陷发生率与报废原因，并抽检测油品状态。

3.2 研究情况

3.2.1 轴承运用及检修情况

本项目选取了500套轴承，其中413套轴承的运营里程在80万～100万km，87套轴承的运营里程在100万～120万km。

整个研究过程中，所有轴承未出现过在线故障或异常表象，实时在线监测系统未出现报警。

各运营里程范围的轴承早期缺陷发生率如表4所示。

表4 研究样本中轴承早期缺陷发生率

所研究轴承均为从0 km启用。本次返厂也均为首次送检，所以早期缺陷发生率即为其综合早期缺陷发生率。从表4与表3的对比可知，轴承连续运用至110万km以下时，各运营里程范围内的轴承综合早期缺陷发生率均未超过按原维修周期送检的综合早期缺陷发生率。由此可以说明，将轴箱轴承的维修周期从80万km延长至110万km，轴承并未出现状态恶化。

当轴箱轴承连续运用达到120万km时，轴承早期缺陷率明显攀升，早期缺陷发生率达14.58%，相较原维修周期相同运营里程范围的综合早期缺陷发生率提升了2倍。磕碰伤异常最为突出，或因运用过程中造成了异常冲击，也不排除送修过程中造成了磕碰。

3.2.2 轴承油脂分析

除轴承的主体结构部件，轴承油脂状态也是决定轴承能否延长运用的关键因素。该轴承所用油脂的主要成分为合成油和锂基稠化剂，新鲜油脂的含水量不超过0.2%，稠度范围为(265～296)×0.1 mm，铁的质量分数不超过0.002%，全新轴承加油量控制在180±20 g范围内。本次研究分别选取了运营里程80万km的轴承5套、110万km和120万km的轴承各12套，对其油脂成分、含水量、稠度、铁的质量分数和油脂质量等5项指标进行理化分析。每个轴承均从内测密封罩(A)、外侧密封罩(B)和内圈(C)3个部位提取油样。油脂的各项参数分析结果如表5所示。根据欧洲标准(EN 12082)的要求，稠度范围为(200～380)×0.1 mm，铁的质量分数范围分别为:C处小于0.5%,A、B处小于1.0%。

表5 轴承油脂各项参数分析结果

对油脂的分析结论如下：

1) 抽检的连续运用至80万～120万km的轴承，其添加剂有轻微消耗，属于正常现象，不影响轴承正常使用;抽检的连续运用至110万km的轴承，添加剂无变化。

2) 抽检的部分轴承含水量超出新油控制标准，但油脂无乳化、变色等异常情况，对于运用后轴承，属于正常含水量。

3) 油脂样品稠度随着运营里程的增加有变硬的情况，其程度仍在标准及可接受范围。

4) 油脂样品铁元素分析显示，铁的质量分数有所上升，但未超出标准值，表明轴承内部磨损正常。

5) 所有轴承的油脂质量均在新鲜油脂的控制范围以内，轴承的延长运用未造成油脂的过量消耗。

3.3 研究结论

对连续运用至80万km、110万km、120万km的轴承进行监测跟踪，轴承运用过程中未出现高温、报警等早期缺陷；经对轴承分解检查，当连续运用至110万km以下时，轴承早期缺陷发生率相对原维修周期综合早期缺陷发生率并无增加，运用至120万km后，因磕碰伤导致轴承早期缺陷发生率有明显攀升；轴承油脂状态均无异常。

4 结语

根据以上各项分析结果，设计速度120 km/h的城市轨道交通车辆上所用的BT2-8670-01轴承，理论上可将其维修周期延长至110万km运营里程，结合其他部件的运用状态，可适当调整车辆的运营里程周期，可使车上与车下部件的维修周期更加均衡;同时，因维修周期的延长，在车辆全寿命周期内，预期可以减少车辆维修次数约25%，可实现维修成本的大幅降低。