高速動車組用滾動軸承失效模式及對策展望

李秋澤，諶亮，徐建新，陳國鋒，楊廣雪

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044)

2007 年以來，高速動車組在中國得到迅猛的發展，列車運行速度由200 km/h 提升到350 km/h，下一代高鐵及CR450 動車組也正在研制，對動車組各系統中使用的軸承提出了更高的要求。滾動軸承主要應用于動車組驅(傳)動系統中，按旋轉部件可分為軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電動機軸承和各類風機用軸承，軸承的可靠性直接影響動車組運營的安全和秩序。目前，動車組軸承均為進口產品，采購期長且價格及維修成本高。根據國產化發展需要，本文介紹動車組用軸承的型號和結構，梳理各旋轉部件的現行安全監控措施以及運行檢修中的典型故障，綜述故障原因并提出各系統針對軸承故障的研究方向。

1 軸箱軸承

鐵路用軸箱軸承是軸承生產廠家根據鐵路公司、鐵道車輛或部件制造商對軸承安裝尺寸、載荷、轉速、維修周期和使用壽命的要求而設計和生產的專用軸承，隨著需求和制造技術的發展，軸箱軸承不斷更新迭代，形成了系列化產品以及專用標準[1]。目前，普遍采用的標準有滾動軸承總體技術標準EN 12080：2017“Railway applications-Axleboxes-Rolling bearings”，潤滑脂標準EN 12081：2017“Rail?way applications-Axleboxes-Lubricating greases”和性能試驗標準 EN 12082：2017“Railway applications-Axleboxes-Performance testing”。

動車組軸箱軸承有雙列圓柱滾子軸承和雙列圓錐滾子軸承，均為整體自密封結構，如圖1所示。

圖1 軸箱軸承示意圖

1.1 主型動車組軸箱軸承基本參數

我國現有的和諧號、復興號動車組用軸箱軸承的基本參數見表1。

表1 主型動車組軸箱軸承基本參數

1.2 運行及檢修失效模式

1.2.1 運行中的安全監控及軸承失效模式

鑒于軸箱軸承的重要性，動車組設置有可以實時監測軸箱軸承溫度和振動的車載監控裝置，并與列車控制和管理系統(TCMS)連接以控制列車速度。地面檢測裝置有軌邊聲學診斷系統(TADS)和紅外軸溫探測系統(THDS)，報警時可實現對列車的攔停。車載和地面安全監控裝置的工作原理及應用情況見表2，現有監控裝置可保證車輛的運營安全。

表2 軸箱軸承安全監控裝置

運行中軸箱軸承的故障主要表現為車載監控裝置的軸承溫度預警或報警，地面監控裝置的振動預警或報警，軸承故障類型[2-3]如圖2 所示，主要失效模式有疲勞剝落、保持架故障、密封故障、油脂狀態異常、軸承高溫等，其中套圈滾道疲勞剝落占56%，溫升占10%，保持架斷裂占10%，磨損占8%。

圖2 軸箱軸承故障類型統計圖

1.2.2 檢修中的軸承失效模式

2004年，動車組技術引進初期，軸箱軸承檢修周期為120×104km，使用壽命為240×104km，為降低維修成本，2019年，國鐵集團提出了修程修制改革，和諧號軸箱軸承檢修周期為145×104km，使用壽命為290×104km；復興號軸箱軸承檢修周期為165×104km，使用壽命為330×104km。

軸箱軸承在檢修中報廢的失效模式有：銹蝕、剝落、磨損、內徑尺寸超差、劃傷、磁粉探傷超標、超聲波探傷超標等，2015—2022年，長客股份動車組平臺FAG 軸承修復率95.24%，SKF 軸承修復率93.18%，其中CRH5A 型動車組用SKF BT2-8545AD 軸承報廢因素占比見表3，銹蝕原因占比25.12%，壓痕和磕碰傷占比11.42%。

長客股份CR400BF動車組用FAG-807811.12軸承，2019 年至2022 年共計檢修2 383 套，檢修報廢165 套，報廢因素如圖3 所示，銹蝕占比43%，壓痕和磕碰傷占比33%。

圖3 FAG-807811.12軸承報廢因素占比圖

由以上統計結果可知，軸承的銹蝕、壓痕和磕碰傷占總檢修報廢的比例較大。建議關注軸箱整體密封結構設計及其密封件配合尺寸，在軸承拆卸后應妥善存儲和運輸。

1.3 軸箱軸承研究方向

1.3.1 軸承失效原因分析

由上述分析可知：運行中軸承的主要失效模式為套圈滾道疲勞剝落，檢修中軸承的主要失效模式是銹蝕和壓痕。軸承套圈滾道剝落的主要影響因素是軸承鋼及其熱處理工藝[4]，結構設計方面的因素較小，高速、重載和沖擊促成了接觸區域表層附近裂紋的產生，加速軸承疲勞并最終導致剝落[5]。軸承銹蝕的主要影響因素是軸箱密封結構設計問題或檢修后軸箱體、軸箱蓋及密封圈尺寸超差問題，軸承壓痕的主要影響因素是軸承運輸、組裝和拆卸不當[6]。

軸箱軸承的失效模式還有開裂或斷裂、磨粒磨損、黏著磨損和保持架塑性變形等。不僅要研究軸承鋼及熱處理、潤滑脂、密封、滾子凸形、保持架、振動和溫升等因素對軸箱軸承故障的影響[3]，還需要從輪軸系統、車輛系統的角度進行分析：如文獻[7]研究了輪對柔性化對高鐵軸箱軸承振動特性的影響，認為柔性輪對的變形降低了輪軌之間的約束能力，從而導致軸承外圈振動減弱；文獻[8]建立了隨機車輛-軌道耦合模型，用于高速列車軸箱軸承的動態性能分析。

然而，研究軸承強度的有限元模型，研究軸承損傷-振動的耦合模型以及研究軸承振動及載荷的車輛軌道耦合動力學模型等在建立時均進行了簡化處理，與軸箱軸承的實際運行狀態(滾子的滾動、滑動及滾滑結合)存在較大差異，只能用于趨勢研究或方案對比，仍需加強在軸箱軸承試驗臺和線路運營測試方面的研究。

1.3.2 高可靠度需求下軸承壽命的精準預測

高速動車組對軸箱軸承的可靠度要求高于95%，軸承壽命要求大于330×104km，滾子軸承的額定壽命為

式中：a1為可靠度壽命修正系數，取值見表4；aISO為壽命修正系數；C為額定動載荷；P為當量動載荷。

表4 不同可靠度下的壽命修正系數值

額定動載荷和當量動載荷建立在大量試驗數據和諸多假設的基礎上，滾動軸承額定壽命理論則基于軸承壽命符合威布爾分布的基礎，壽命修正系數aISO除與軸承類型相關外，還與載荷、材料、潤滑、環境、雜質顆粒、套圈內部應力以及安裝等因素相關，不同廠家的aISO取值也不同。軸箱軸承的可靠度直接影響高鐵的運營安全，基于高可靠度需求下的軸承壽命精準預測將是未來研究的重點方向。

1.3.3 振動和溫度閾值

在軸箱軸承的服役過程中，各種故障都是一個漸變的過程，首先表現為軸承的異常振動，如果未能盡早識別振動故障，最終將演化為軸承溫度的異常升高，極端情況下可導致車軸的熱切故障。對軸承振動進行實時監測與評估，有效實現對故障萌生與演變的動態預測，可提前發現失效隱患，及時采取措施，避免重大故障發生。

軸承振動監測原理比較成熟，難點是如何剔除來自線路的各種激擾振動，確定軸承失效故障的振動閾值。

軸承溫度判定準則目前存在2個難點：1)軸承自身的正常溫升隨速度的增加而升高，如何確定軸承安全的極限溫度；2)從極限溫度升至造成軸承破壞溫度所需要的時間，在這段時間內列車是否能降到較低的安全速度。

目前，在試驗臺上還不能完全模擬實際運營工況。軸箱軸承運行中間或發生運轉熱故障[9-10]，軸承實時溫度超過溫度預警值，影響列車運營秩序，但軸承拆解后并未發現實質性故障，從軸承組裝、注脂量、注脂位置、軸承精度、跑合試驗等多個方面進行研究，仍未能研究清楚軸承運轉熱的產生機理。

2 齒輪箱軸承

2.1 齒輪箱軸承的布置

工業用變速器種類眾多，動車組齒輪箱屬于其中一種，基本上為一級減速，結構簡單但對安全可靠性的要求高。齒輪箱內部的軸承布置形式有2 種：1)輸入端采用2 套圓柱滾子軸承+1 套球軸承，輸出端采用圓錐滾子軸承，如圖4a 所示；2)輸入端、輸出端均采用圓錐滾子軸承，如圖4b所示。

各型動車組齒輪箱的軸承布置方式及軸承型號由車輛主制企業和齒輪箱供應商共同確定，CRH3型動車組齒輪箱供應商主要有采埃孚、弗蘭德及戚墅堰所，CRH1 和CRH2 型動車組齒輪箱供應商有福伊特、采埃孚、東洋和戚墅堰所，CR300/400 復興號系列動車組齒輪箱供應商主要為戚墅堰所。主型動車組齒輪箱供應商使用的軸承型號見表5。

表5 主型動車組齒輪箱軸承使用情況

2.2 運行及檢修失效模式

2.2.1 運行中的安全監控

齒輪箱設置有車載溫度及振動安全監控裝置，溫度監控中的報警、預警溫度閾值和邏輯比較成熟，而振動監控正在收集數據中，振動報警閾值和邏輯也不成熟。

2.2.2 運行中的失效模式

在運行過程中，齒輪箱軸承的故障表現形式為溫度報警或預警，軸承失效模式主要有剝落和保持架斷裂，故障多發生在輸入端，輸出端圓錐滾子軸承的故障率則較低，這是由于輸入端軸承的轉速較高且邊界載荷更復雜。定期換油保養時，齒輪箱故障主要表征為潤滑油發黑(Cu，Fe含量超標)、乳化。

2.2.3 檢修周期及失效模式

齒輪箱原分解檢修周期為240×104km，目前，和諧號、復興號動車組齒輪箱檢修周期分別延長至290×104和330×104km，軸承在齒輪箱分解檢修時進行更換。齒輪箱分解檢修時軸承退卸造成損壞，對軸承的檢修故障多為概念性描述，缺少故障軸承數據，一般以運行故障為主。

齒輪箱軸承故障與軸承的選型、游隙以及齒輪箱的潤滑油路設計和組裝質量關系很大。若輸入端采用圓錐滾子軸承，需要關注游隙和潤滑油路的設計；若采用圓柱滾子軸承+球軸承組合，則需要關注軸承的過盈量、游隙以及軸承外圈的定位；如果齒輪箱空間允許，最好采用大尺寸規格的軸承，以提高抗沖擊載荷的能力。

2.3 技術難點及研究方向

2.3.1 邊界載荷與壽命評估

準確識別邊界載荷是解決齒輪箱軸承失效的關鍵。齒輪箱軸承運行中的載荷工況復雜，受牽引系統電流以及線路不平順載荷的影響較大，按IEC 61373：2010“Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests”或EN 13749：2011“Railway applications-Wheelsets and bogies-Method of specifying the structural require?ments of bogie frames”選取載荷時安全系數偏小。根據經驗，動車組齒輪箱載荷按表6 選取，先按距離插值法計算軸承的振動載荷，疊加扭矩載荷后根據ISO 281：2007“Rolling bearings-Dynamic load ratings and rating life”計算基本額定壽命L10，該值僅考慮了軸承的載荷、標準承載能力、結構等因素，還需要考慮實際應用中的轉速、潤滑條件、清潔度、材料等因素的影響對軸承壽命進行修正。不同軸承廠家所標定的壽命差異較大，需積累大量關于軸承制造、材料、潤滑和試驗的數據才能較為精準地預估軸承壽命。

表6 齒輪箱軸承振動載荷計算依據

2.3.2 齒輪箱動力學模型

建立細化的齒輪箱模型研究軸承在外載荷變化時受力部件的接觸應力。文獻[11]研究了高速列車齒輪箱軸承外滾道最大載荷位置處接觸載荷的變化，發現保持架或軸的模態振動，滾子之間的徑向幾何差異以及齒輪箱殼體振動對不同齒輪嚙合條件下的接觸載荷有不同程度的影響，最大載荷位置處接觸載荷的變化系數與軸箱處測得的局部加速度的均方根值呈線性關系。

動車組齒輪箱軸承為工業用軸承，未針對動車組的高可靠性需求形成軌道車輛專用軸承系列，盡管軸承理論計算壽命能滿足使用要求，但也時常發生失效，為降低百萬公里故障率，應該制定齒輪箱軸承的技術要求和采購規范，要求軸承供應商進行專項研究和專線生產，并提高尺寸精度和旋轉精度。

3 牽引電動機軸承

3.1 牽引電動機軸承的布置

牽引電動機軸承布置為雙支點結構，基本的組合方式為深溝球軸承+圓柱滾子軸承，布置方式如圖5所示。

圖5 牽引電動機軸承典型布置

牽引電動機軸承為絕緣軸承，目前批量產品均采用進口軸承，供應商有瑞典SKF、德國FAG、日本NTN 和NSK。主型動車組用牽引電動機軸承的布置方式及軸承型號見表7。

表7 主型動車組牽引電動機軸承使用情況

3.2 運行及檢修失效模式

3.2.1 運行中的安全監控

牽引電動機設置有車載溫度監控裝置，用于監控軸承和定子的溫度，振動監控功能正在研究開發。文獻[12]研究了牽引電動機球軸承的熱性能及溫度分布，揭示了軸承中各零件的傳熱機理及其溫度分布規律，分析了轉速和徑向載荷對軸承溫度的影響，軸承溫度從內圈到外圈逐漸下降，速度對軸承溫度的影響遠高于載荷。文獻[13]提出了基于故障預測與健康管理(PHM)系統的高速鐵路牽引電動機軸承健康狀態預測方法，在提取表征軸承健康狀態的多種特征后用深度堆疊去噪自編碼器進行降維，通過累積計算得到相關的健康指標。

3.2.2 運行中的失效模式

牽引電動機軸承在運行過程中的故障主要表現為溫度過高，油脂甩出，卡滯等，經過理化分析得到的失效模式有：1)由于滾動接觸疲勞造成的剝落；2)由于電蝕引起的剝落。滾動接觸疲勞導致軸承失效的故障較少，大多數故障都直接或間接的與電流、潤滑有關，是電蝕導致的失效[14-16]。另外，電蝕主要發生在球軸承上，與其點接觸工況有關。

3.2.3 檢修周期及失效模式

牽引電動機原分解檢修周期為120×104km，現和諧號、復興號動車組分別延長至145×104和165×104km，在檢修時更換軸承。檢修中發現的軸承主要失效模式為點蝕，多在軸承外圈的內滾道面上(圖6)。高級檢修時，統計CRH3 型系列動車組牽引電動機絕緣軸承(型號6016)的故障率約為7.2%，不同廠家軸承的故障率不同，表現形式也不同，SKF 軸承在電蝕初期均表現為搓衣板紋，故障擴展階段為搓衣板，最終表現為剝落；FAG 軸承在電蝕初期少數為搓衣板紋，很快發展為剝落。

圖6 球軸承電蝕失效過程中的宏觀形貌

3.3 研究方向

3.3.1 統籌各系統頂層設計方案

在列車總體設計時，從列車編組情況出發，統籌考慮工作回流和保護回流的接地路徑，合理布置軸端接地回流的數量。牽引系統設計時，調節牽引控制系統，降低絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等器件的開關頻率，從而降低共模電壓的頻率，提升變頻器輸出品質，減少高次諧波，減小共模電壓，最終減小牽引電動機的軸電流和軸電壓。牽引電動機設計時，在空間允許的情況下盡量選取較大規格的軸承，提高抗疲勞載荷能力。例如：CRH3型動車組牽引電動機軸承原有型號(表7)較小，故障相對較多，在復興號動車組牽引電動機統型時采用了較大規格的深溝球軸承6311 和圓柱滾子軸承NU214，故障率明顯下降。另外，在軸承布置時，可將承受沖擊載荷能力較弱的球軸承布置在非傳動端。

3.3.2 絕緣軸承性能研究

對牽引電動機故障軸承的材料進行能譜分析以及材料成分、基體組織、非金屬夾雜、硬度等檢測，基本上都符合要求，主要差異在絕緣層厚度、絕緣材質性能和噴涂質量方面，對絕緣性能、擊穿電壓和高頻耐壓指標進行綜合對比發現，厚涂層軸承的抗交流耐壓能力更強。絕緣軸承性能測試要求為：直流1 000 V，電阻不小于500 MΩ。實際運行過程中，牽引電動機軸承承受的是高頻交流電壓，而實驗室目前還不能給出具體的試驗方法和判定標準，這也是今后的研究方向。

4 風機用軸承

4.1 風機用軸承的類型

動車組上風機的種類和數量較多，風機主要由風扇和電動機組成，應用在牽引系統和空調系統中，風機用軸承一般為整體自密封、免維護的深溝球軸承。風機故障將導致系統整體功能失效，例如：牽引電動機風機故障會導致牽引功率損失，空調系統廢排風機燒損會導致煙霧報警，影響列車運營秩序。動車組的風機故障主要表現為電動機中的軸承故障，因此其對軸承可靠性的要求很高，雖然電動機供應商基本上為國內廠家，但是軸承均采用進口產品，具體應用情況見表8。

表8 動車組各系統風機用軸承的使用情況

4.2 運行及檢修情況

4.2.1 運用中的安全監控

動車組風機中沒有相應的車載和地面安全監控裝置。

4.2.2 運行故障及軸承失效模式

風機中的電動機為三相異步變頻電動機，功率比較小，軸承轉速不高，如復興號動車組牽引電動機冷卻風機的功率分為2 檔，即8.2，2.2 kW，對應的轉速分別為2 920，1 450 r/min。牽引電動機冷卻風機在運行中發生的故障有異常聲、燒損、掃鏜等；變流器冷卻風機會發生異常聲；空調廢排風機會出現卡滯、燒損冒煙等故障。軸承的失效模式為套圈溝道面和球表面的剝落。

4.2.3 檢修周期及失效模式

在采購風機時，規定的檢修周期為240×104km(后期延長至330×104km)或40 000 h，在檢修時更換軸承。風機檢修時發現，風扇的動平衡都在標準范圍內，主要故障發生在電動機上，典型故障有：軸承端蓋軸承室尺寸變大、軸承跑外圈、波形彈簧壓力不足等，對運行240×104km 的軸承進行分解檢測，故障率約2%，主要問題是整體振動超標、內外圈溝道磨粒磨損、油脂干涸凝固、油脂內雜質含量超標等。軸承的失效模式為磨粒磨損和黏著磨損。

4.3 軸承失效解決措施

風機中的電機軸承均采用脂潤滑，選擇潤滑脂時應綜合考慮抗氧化性能、極壓抗磨性能、高低溫性能、機械安定性以及對軸承鋼的防護性。密封性能的優劣直接影響軸承使用壽命，根據運營經驗，應優先選用非接觸式橡膠密封圈結構，該密封圈與內圈肩部的圓柱形表面或內圈凹型輪廓間形成一個極窄的間隙，既可以解決摩擦生熱，又能防止油脂泄漏和灰塵進入，如圖7 所示。另外，在空間范圍允許的情況下，盡量選取規格較大的軸承，即可提高抗疲勞載荷能力，又可以增加注脂量。

圖7 非接觸式橡膠密封圈結構示意圖

風機中的電機軸承為工業用深溝球軸承，同一批次中綜合品質也有差異，針對高鐵車輛的高可靠性要求，可采用軸承旋轉振動檢測設備進行篩選，還應制定鐵路產品用深溝球軸承技術規范，明確規格尺寸、摩擦力矩試驗、漏脂試驗、溫升試驗、防塵試驗等技術要求，提高產品質量。

對3 個風機用電動機生產廠家進行調研的結果表明，軸承均采用冷壓方式，壓裝設備有立式和臥式2 種，存在軸承內圈定位不精確，人工手動壓裝不同心和壓裝不到位的問題。因此，需要研究自動壓裝檢測設備以及熱裝工藝，提高軸承生產效率和壓裝質量。

5 結束語

軸承是機械裝備的關鍵基礎部件，其發展水平體現了一個國家在先進基礎工藝、關鍵基礎材料和產業技術基礎的綜合實力。國內高速動車組用軸承全部為進口軸承，盡管在運行和檢修中也存在軸承失效，但通過理化檢驗、斷口分析發現軸承鋼中的雜質含量較低，基本上排除了因材質原因導致的軸承故障；另外，軸承的熱處理、機加工、磨削等制造工藝穩定，軸承的尺寸精度和旋轉精度較高，軸承產品質量一致性較好。

為推動動車組用軸承的國產化，解決“卡脖子”問題，國鐵集團與科技部確立“高鐵軸承核心關鍵技術研究”課題，從軸承運行邊界條件、材料及結構設計、軸承制造及檢測和軸承評估試驗技術等方面進行研究，國產軸承正有序試制、試驗并裝車運行考核，后續將研究軸承集成技術，融入溫度和振動檢測技術，實現軸承智能化。