城軌車輛齒輪箱軸承國產化現狀和發展趨勢

咼如兵，許濤濤，劉煥偉，李俊強，楊冰

(1.西南交通大學，成都 610031；2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；3.上海人本集團軸承技術研發有限公司，上海 201411)

齒輪箱軸承是城軌車輛傳動系統的核心零部件，其安全可靠運行是城軌車輛安全運行的保證?；诔擒壾囕v齒輪箱軸承的應用現狀和未來發展趨勢，重點分析了齒輪箱軸承國產化的可行性和發展方向。

1 城軌車輛齒輪箱軸承應用現狀

城市軌道交通發展水平是衡量一個城市發展水平的重要標準。截至2021年9月，我國城軌交通運營城市達49個，運營里程達8 553 km，城軌交通車輛保有量近50 000輛，城軌車輛齒輪箱軸承全部依賴進口，包括SKF,NSK,Schaeffler,TIMKEN[1-2]。進口軸承的長期壟斷嚴重影響我國軸承行業的發展，高昂的軸承價格也增加了車輛的整體運行成本。

改革開放40余年來，我國軸承行業秉持引進、消化、吸收和再創新的發展方向，取得了長足的進步，國產軸承在貨車和普速列車的使用占比逐年提高。城市軌道車輛對于齒輪箱軸承可靠度要求極高，軸承的檢修周期最高達160×104km。隨著城軌交通運營里程的增加，車輛檢修成本逐年提升，進口城軌車輛齒輪箱軸承價格高昂且供貨周期不能保證，國產化勢在必行。

2 城軌車輛齒輪箱軸承國產化技術

城軌車輛齒輪箱軸承具有轉速高，承載能力強，壽命長，可靠性高，振動噪聲小，摩擦力矩低，耐極端工況能力強等特點[3]，其國產化對軸承企業提出了嚴格的技術要求。城軌車輛齒輪箱通常為一級傳動，軸承包括輸入軸軸承和輸出軸軸承，常見的配置形式如圖1所示。常用的齒輪箱軸承包括圓柱滾子軸承、四點接觸球軸承和圓錐滾子軸承，如圖2所示。

圖1 城軌車輛齒輪箱常見配置形式

圖2 城軌車輛齒輪箱常用軸承

2.1 結構設計

通過優化設計可以提升軸承可靠性，城軌車輛齒輪箱軸承優化設計包括結構強化和局部優化。

國外城軌車輛齒輪箱運行過程中多次出現軸承保持架斷裂，如圖3所示，分析原因為齒輪箱軸承承受軌道的沖擊載荷和齒輪的嚙合載荷，輪軌沖擊過大。通過增加保持架板厚、梁寬、壓坡深度，采用一體式保持架和高強度保持架材料等措施，可提高保持架抗沖擊能力。

圖3 齒輪箱軸承保持架斷裂示意圖

對于圓柱滾子軸承：通過優化滾子基面與套圈擋邊的接觸狀態(圖4)，可改善滾子基面與擋邊的潤滑狀態，降低滑動摩擦及溫升，提高軸承承載能力和運轉可靠性。

圖4 圓柱滾子軸承外圈優化設計

對于四點接觸球軸承：優化溝道密合度和溝邊角，可降低高速工況下軸承的溫升和振動；對保持架進行輕量化設計可以改善軸承潤滑條件，降低軸承噪聲。

對于圓錐滾子軸承：優化內圈擋邊及滾子基面結構，可改善軸承潤滑條件，降低滑動摩擦及溫升；滾子采用對數修形(圖5)，可有效減少軸承接觸區應力集中，提高可靠性,還可以提高滑滾比，有利于提高軸承極限轉速；軸承內外圈滾道采用超精研加工技術，可去除滾道凸起尖峰，降低滾子與滾道的滾動摩擦和溫升。

圖5 圓錐滾子凸度優化設計

軸承優化設計后，額定工況下齒輪箱輸入和輸出軸軸承理論計算壽命均超過250×104km，部分軸承理論計算壽命超過1 000×104km，滿足了城軌車輛齒輪箱軸承的設計要求。

2.2 材料

城軌車輛齒輪箱軸承套圈常用材料為GCr15軸承鋼，滾子常用材料為G20CrNi2MoA滲碳鋼，冶煉方式主要為電渣重熔和真空脫氣。日系軸承鋼采用真空脫氣冶煉工藝，歐系軸承鋼采用電渣重熔和真空脫氣冶煉工藝。隨國內特種鋼冶煉水平的提升，通過潔凈鋼冶煉、連鑄保護渣、惰性氣體保護氣氛電渣冶煉、大規格電渣錠冶煉技術，與國外同型號產品的差距逐步減少。國內外軸承鋼成分控制指標見表1，部分指標已優于進口軸承鋼。

表1 國內外軸承鋼材料成分控制指標

部分鋼企的真空脫氣高碳鋼和電渣重熔滲碳鋼的接觸疲勞壽命已達4.9×107次和2.5×107次，達到進口軸承鋼水平。同時通過控制氣體元素(O，H)、微觀夾雜物、碳化物等關鍵指標，增加夾雜物定量分析、金屬原位分析、碳化物定量分析等全面檢測純凈度和均質性，國內高品質軸承鋼已達到特級優質鋼水平，可以應用于城軌交通產品。

城軌車輛齒輪箱軸承保持架材料差異較大，國外軸承企業考慮到工藝和成本，輸入軸軸承保持架材料多為ZCuZn40Pb2黃銅，屈服強度大于120 MPa，國內軸承企業開發了ZCuAl10Fe3Mn2鋁青銅，屈服強度高于200 MPa。國外輸出軸軸承保持架材料多為08Al沖壓鋼，屈服強度大于200 MPa，國內開發了S355MC高強度沖壓鋼，屈服強度大于355 MPa，部分采用QSTE380TM沖壓鋼，屈服強度大于380 MPa。

2.3 加工設備

軸承制造工藝主要包括套圈鍛造、車加工、熱處理、粗磨、精磨、探傷和裝配等[5]。熱處理、套圈磨加工、滾道超精研加工和滾動體加工是軸承生產過程中的關鍵工序。目前部分軸承企業的關鍵工序加工設備全部采用國際先進設備，例如：熱處理使用愛協林轉底爐生產線，可以實現滲碳、碳氮共滲以及貝氏體等溫淬火等；套圈磨加工使用TOYO或NOVA磨床，內外圓圓度加工精度可達3 μm，內外圈滾道表面粗糙度Ra值最高可達0.08 μm；滾子超精研加工采用MIKROSA機床，圓度可達0.4 μm，表面粗糙度Ra值最高可達0.06 μm。

2.4 質量管理體系

隨著鐵路行業的快速發展，軸承企業間競爭與日俱增。鐵路客戶對軸承供應商要求更加嚴格，包括綜合競爭能力、可靠的車輛運輸方案和設施以及運營設備[6-7]。為適應鐵路裝備的可靠性要求，2006年歐洲鐵路工業聯合會提出國際鐵路行業標準(簡稱IRIS 標準)，得到了全球部分鐵路企業的認可。

目前軌道交通裝備企業廣泛采用ISO/TS 22163：2017“Rail Transit Industry Quality Management System”管理體系，該體系是基于IRIS 鐵路行業的質量管理體系發展起來的，主要關注點是如何有效降低選擇供應商的風險和提高整個鐵路行業的運行效率。

國內通過ISO/TS 22163 管理體系認證的軸承企業包括瓦軸、洛軸、上海聯合滾動和天馬等，其產品廣泛應用于鐵路貨車、鐵路客車、大功率機車和城軌車輛。

通過完善的質量管理體系，軸承質量原因導致的熱軸故障率大幅降低，已達國際先進水平。以瓦軸為例，在軸承生產現場實現可視化管理，設備點檢標準文件、檢測儀器開工校驗標準和作業指導書可視化，可操作性強。所有軸承產品推行批次管理，內外圈標注批次標識，實現產品可追溯。裝配過程中對每套軸承單獨編碼，裝配過程數據全部錄入系統，記錄所有成品軸承檢測結果、零件的批次號和供應商等信息，每套軸承的加工信息全程可追溯。推行關鍵工序影像監控管理，確保關鍵工序員工操作行為符合規范要求。制定《完善自控、互控、?？貦C制實施方案》，確保生產過程的自控(操作者自檢)、互控(下工序對上工序的驗收)、?？?檢查員巡檢)。建立質量管控信息化平臺，實現產品質量信息可追溯查詢，從原材料入廠驗收到產品出廠全過程的質量檢測數據可實現自動采集、上傳和統計，實現了數字化、信息化管理。

2.5 試驗體系

齒輪箱軸承裝車前需經過嚴格的試驗驗證，包括軸承臺架試驗和齒輪箱臺架試驗。目前國內外沒有城軌車輛齒輪箱軸承臺架試驗標準和行業標準，戚墅堰所根據城軌車輛齒輪箱運行特點和試驗經驗制定了城軌車輛齒輪箱軸承臺架試驗企業標準。輸入軸圓柱滾子軸承和四點接觸球軸承參考TB/T 3017.2—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第2部分：牽引電機軸承》和TB/T 3017.3—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第3部分：抱軸箱滾動軸承》，輸出軸圓錐滾子軸承參考TB/T 3017.1—2016《機車車輛軸承臺架試驗方法第1部分：軸箱滾動軸承》和TB/T 3017.3。軸承試驗機原理如圖6所示。

圖6 滾動軸承壽命試驗機示意圖

軸承臺架試驗是驗證軸承運行性能和承載能力的直接方式，主要考核軸承熱性能和耐久性能，驗證軸承運行發熱、平衡性能及壽命性能。目前城軌車輛齒輪箱軸承要求完成至少60×104km耐久試驗，部分型號要求80×104km耐久試驗。

齒輪箱臺架試驗通常按照主機企業與齒輪箱生產企業簽訂的試驗大綱執行，主要包括跑合試驗、油位油量試驗、齒輪箱傾斜試驗、低溫啟動試驗、高溫試驗、額定轉速加載試驗、最高設計轉速加載試驗、最大啟動扭矩加載試驗、疲勞試驗等，驗證軸承在多工況下的運行性能。

3 試驗對比分析

為對比國產軸承和進口軸承性能的差異，分別將國產軸承與進口軸承安裝于某型號城軌車輛齒輪箱開展臺架試驗。分別進行低溫啟動試驗、疲勞試驗、最高設計轉速加載試驗和高溫試驗，工況參數見表2。齒輪箱臺架試驗主要監測軸承溫度，分別測量輸入軸車輪側(PW)、輸入軸電動機側(PM)、輸出軸車輪側(GW)、輸出軸電動機側(GM)和潤滑油(OIL)的溫度，測點如圖7所示。每組試驗中國產軸承和進口軸承分別取4套，測量正、反轉工況下各測點最高溫度，取平均值，結果見表3—表6。

表2 齒輪箱臺架試驗工況參數

圖7 齒輪箱溫度測點分布圖

表3 低溫啟動試驗軸承最高溫度

表4 疲勞試驗軸承最高溫度

表5 最高設計轉速加載試驗軸承最高溫度

表6 高溫試驗軸承最高溫度

由表3—表6可知：

1)對于低溫啟動試驗，正轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低27.0，28.3，4.0，-1.0，2.7 ℃，反轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL測點平均最高溫度分別比進口軸承低23.0,23.9,2.5,7.4,1.7 ℃；

2)對于疲勞試驗，正轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低3.8，3.7，5.9，8.3，8.2 ℃，反轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL測點平均最高溫度分別比進口軸承低4.6，3.6，6.8，7.9，10.5 ℃；

3)對于最高設計轉速加載試驗，正轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低2.3，-0.4，3.5，4.7，6.0 ℃，反轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低1.3，-1.3，1.6，2.9，5.5 ℃；

4)對于高溫試驗，正、反轉工況下國產軸承測點PW，PM，GW，GM，OIL平均最高溫度分別比進口軸承低10.5，12.1，13.5，11.9，11.3 ℃；

5)4種試驗中國產軸承大部分測點溫度低于進口軸承。

目前城軌列車齒輪箱軸承的更換周期約為120×104km，近期計劃將更換周期延長至160×104km，為考核國產軸承耐久性，對齒輪箱軸承進行了240×104km耐久試驗，以輸出端軸承為例，軸承耐久試驗加載參數見表7，試驗臺具備溫度及振動報警功能，實時記錄2套試驗軸承的溫升。

表7 軸承耐久試驗加載參數

耐久試驗每個試驗循環測得軸承溫度均被實時記錄，由于試驗里程過長，只展示部分運行區段的最高有效溫度和最高溫升，如圖8所示：1#，2#軸承的最高有效溫度分別為69.5，70.9 ℃，1#，2#軸承的最高溫升分別為49.5，50.9 ℃。由于進口軸承未開展耐久試驗，無法對比，但從國產軸承耐久試驗溫度可以看出國產軸承最高溫度正常，試驗過程中溫度無異常波動。

圖8 耐久試驗輸出端軸承溫度

拆解耐久試驗后的軸承，如圖9所示，整體外觀正常，各零件未發現明顯異常，旋轉靈活。試驗后的潤滑油分析未發現Fe元素超標。

圖9 耐久試驗后輸出端軸承拆解圖

綜上試驗分析可知：國產軸承性能可滿足城軌車輛齒輪箱軸承的設計要求。

4 發展趨勢

軌道車輛對于安全性要求極高，國產、高精度軸承大批量制造能力和試驗數據分析能力與國際一流企業還存在一定差距，國內軸承企業還需重點開展以下研究：

1)提高軸承設計和仿真分析能力，進一步加強人才培養和技術積淀。

2)開展城軌車輛齒輪箱軸承的大批量應用技術研究，保證軸承鋼原材料品質和高精度軸承的批量一致性。

3)持續開展大批量的軸承臺架試驗、齒輪箱臺架試驗和裝車考核試驗，積累試驗數據并進行分析。

通過不斷的技術積累及試驗研究，利用大數據分析技術，持續優化軸承結構，以適應我國城市軌道交通的運營工況，最終提出適合國內運營條件的軸承技術標準，為后續城軌車輛齒輪箱軸承的國產化提供技術支持。