某型动车组轴箱轴承温升规律及试运行优化方案研究

许帅帅，周斌，姜陈，谢明源

(中国铁路上海局集团有限公司 a.上海动车段；b.高铁运维技术中心，上海 201812)

轴箱轴承是动车组传动系统中的重要组成部分，其运行状态影响动车组运行的安全性和稳定性。经统计，自2016年以来，某动车段配属的某型动车组共发生9起新换轮对轴箱轴承初始运行阶段温度过高，并达到预(报)警阈值的故障，造成动车组途中停车或限速运行。根据动车组控制逻辑，轴承发生暖轴报警后动车组停车检查，并在后续交路中限速200 km/h,发生热轴报警后动车组停车检查，后续动车组自动限速40 km/h，回所后需检查轴承结构及油脂情况，若检查结果超限，要更换轮对。

对疑似故障轴承全部进行分解检查，套圈、保持架及滚子均未发现异常磨损情况，润滑脂质量及润滑脂金属含量未超标，通过联合主机厂进一步确认了动车组新换轮对轴承初始运行时存在匀脂不均,温度骤升的现象。

目前动车组常用轴箱轴承为圆柱滚子轴承及圆锥滚子轴承，均为脂润滑。轴承润滑分为走合阶段和正常运行阶段[1]，走合阶段也称为润滑脂匀脂磨合阶段。轴承完成匀脂磨合后，能够有效避免零件因直接摩擦产生的大量热堆积，使轴承进入正常的稳定运行阶段。

9起轴承温度高故障中的新换轮对轴承没有经过匀脂磨合。目前，对于轴承在运用前是否需要进行润滑脂匀脂磨合以及如何进行匀脂磨合，国内外主要行业标准中均没有做出规定。国际上，欧洲标准BS EN 12080：2007《Rail application—Axleboxes—Rolling bearings》及BS EN 12081：2007《Rail application—Axleboxes—Lubricating greaes》规定了轴箱滚动轴承的技术参数、形状参数和材料等，而对轴承装车前后是否需要跑合试验没有规定。我国国家铁道行业标准，如TB/T 2235—2010《铁道车辆滚动轴承》规定了铁道车辆滚动轴承的测量和检验标准，也没有明确轴承装车前后是否需要跑合试验[2]。

目前，我国动车组轴箱轴承新造及检修组装后均未进行匀脂磨合，主要依靠轴承装车后的回送及试运行完成跑合。从实际运用情况来看，并不能完全满足匀脂磨合的要求。因此，轴承在载客运行初期容易出现匀脂不均，温度骤升从而达到预(报)警阈值[3]，造成动车组停车或限速。现分析轴承运行原理，并对故障轴承进行数据统计，研究轴承温度变化规律。

1 故障分析

1.1 试运行分析

9起轴承温度高故障中，8起是动车组在试运行时轴承温度较低，首次上线载客，在300 km/h速度下持续运行较长时间后，轴承温度升高,温升增加，达到了预警阈值(最高温度115 ℃,与同车同侧轴承温差达到45 ℃)；另1起故障是动车组还未进行试运行，高级修修竣后回送途中，在300 km/h速度下持续运行较长时间后产生。对故障轴承进行数据统计，并与非故障轴承进行对比，分析试运行阶段及载客运行初期轴承温度的规律，结果如图1、图2所示，图中1#—9#为故障轴承，10#—16#为非故障轴承。温差指轴承温度与环境温度的差值。

图1 轴承试运行及载客期间最大轴温

图2 轴承试运行及载客期间最大温差

由图1、图2可知，载客运行初期，故障轴承、非故障轴承的最大温度和温差均比试运行期间高，轴承在载客运行初期易出现轴承温度升高及温升增加的现象。

目前，动车组试运行均严格按照文献[4]的相关规定，上海动车段配属动车组试运行情况见表1。

表1 动车组试运行要求

其中，动车组有动力回送里程纳入试运行里程统计，返厂高级修回送限速250 km/h。现分别对以上各工况下的新换轮对轴承温度进行数据统计分析。

1.1.1 临修换轮动车组试运行及载客轴温分析

统计某动车段2017年1—7月轮对更换情况，某型动车组共临修换轮122条，共计244套轴承，对新换轮对轴承温度在不同工况下的温度变化规律进行分析。其中221套新换轴承在载客初期的轴温比试运行时的高，占91%以上。

91%的新轴承在试运行、载客运行5 d内的最大轴温和温差变化趋势和分布分别如图3、图4所示，图中横坐标0～6分别表示试运行及载客1～5 d各阶段的序号。

图3 91%的新轴承在试运行、载客运行时最大轴温统计图

图4 91%的新轴承在试运行、载客运行时最大温差统计图

由图可知，载客运行初期轴承最高温度与最大温差均较大，且易达到轴承监控预警阈值，之后随着运行时间及里程的增加，轴承温度不断降低，且最终稳定在60 ℃内。

同理，对9%的试运行时轴温比载客时高的轴承进行分析，试运行时轴承最高温度与最大温差均较大，随着运行时间及里程的增加，轴承温度不断降低，且最终趋于稳定。

综上，按现有临修换轮试运行要求，新换轮对轴承在试运行期间匀脂不充分，在载客运行初期继续进行匀脂磨合，造成轴承温升变化较大，甚至达到或超过轴温预警阈值。

1.1.2 三级修动车组试运行及载客轴温分析

该动车段2017年1—7月间共有23列动车组进行三级修，其中返厂三级修动车组14标准组，共计768套轴承；在该动车段高级修基地三级修动车组16标准组，共计864套轴承，具体统计数据见表2。

表2 三级修造动车组轴承统计数据

由表2可知，返厂三级修动车组中92%轴承的载客初期轴温比试运行及回送过程中高，只有8%的轴承能够在回送及试运行期间达到最大轴温。在动车段高级修基地三级修动车组中30%的轴承在试运行时达到最大轴温，载客运行阶段温度不断降低并趋于稳定，说明在试运行阶段，轴承完成了有效的匀脂磨合；载客运行后达到最大轴温的轴承占70%。分析动车组试运行阶段实际工况发现，共同特征为：在试运行阶段，虽然试验及跑合里程满足了不少于1 000 km的要求，但试验速度大部分未达到300 km/h，并且由于例行试验以及跑合阶段停车避让的影响，动车组高速运行不连续。

运用临修换轮的分析方法，分析三级修新换轮对轴承温度在不同运行阶段的变化趋势，结果表明：返厂三级修动车组回送和试验试运行期间轴承温度变化较明显，存在匀脂磨合过程；在载客运行初期，大部分轴承达到最大温度，甚至达到温度或温差预警阈值，之后温度趋于平稳。说明现行的三级修试运行及回送要求不足以使所有轴承完成匀脂磨合，造成轴承在载客运行初期产生轴温高、温差大，超过动车组预警阈值。

1.1.3 四、五级修和新配属动车组试运行及载客轴温分析

该动车段2017年1—7月间共有6列动车组进行四级修，其中在动车段高级修基地维修4列，返厂2列，另有2列新造动车组配属该动车段。按照分析三级修试运行及上线载客轴温变化的方法，对上述动车组轴承进行数据统计，结果见表3。

表3 四、五级修和新配属动车组轴承统计数据

由表3可知，该动车段四级修动车组轴承中65%能够在试运行期间达到最大轴温，35%在载客运行初期达到最大轴温，说明目前对于动车段四级修后的动车组，试运行要求能使部分轴承完成有效匀脂磨合，而不能确保全部轴承完成该过程。

返厂四级修及新配属动车组试运行要求相同，有22%轴承能够在回送或试运行期间达到最大轴温，78%轴承在载客运行初期达到最大轴温，并且出现轴承温度较高,温差较大的情况，说明目前返厂四级修及新配属动车组在回送及试运行期间，大部分轴承没有完成有效匀脂磨合。

1.1.4 小结

综上所述，轴承不能在现行的试运行标准下形成有效匀脂磨合，导致轴承运行初期极易出现温度或温差超过预警阈值。

1.2 相关影响因素分析

选取2016年以来的故障轴承作为研究对象，在运行各阶段间速度等级、持续运行时间和最大轴温的统计结果如图5所示。由图可知：在试运行阶段，速度超过250 km/h时，故障轴承温度为70 ℃，高于250 km/h下的温度(60 ℃)；载客运行初期以300 km/h的速度运行时，轴承温度更高，达100 ℃以上，说明运行速度对于轴温有明显影响。

图5 故障轴承试运行及载客期间速度等级、持续运行时间及最大轴温统计图

对所有故障轴承温度进行统计分析发现，试运行阶段高速持续运行时间较短，90%以上的故障轴承持续运行时间不超过6 min，轴承温度较低，在后续载客持续运行较长时间(长大交路)后，轴承温度迅速升高，且快速达到最大轴温并超过预警阈值，说明高速下持续运行时间对轴承有效匀脂磨合有一定影响。

综上，轴承匀脂磨合过程的影响因素包括现行试运行要求、速度等级和持续运行时间。

1.2.1 速度等级对于轴承匀脂的影响

返厂高级修回送过程中限速250 km/h，里程超过1 000 km；在动车段高修场进行的三级修动车组试运行速度为300 km/h，里程不少于1 000 km。回送与试运行期间，运行速度等级对比性较强，分别以250，300 km/h速度等级研究速度对轴承匀脂磨合的影响。

该型动车组返厂三级修修竣后，某车厢中一个转向架上所有轴承各阶段下的温度变化趋势如图6所示。由图可知，回送期间，开始阶段轴承温升较快，达到一定温度后温升不断减小，这表明回送期间轴承存在匀脂磨合过程。在试运行期间，轴承温度较低，最高为50 ℃。上线载客期间在300 km/h速度等级下持续运行10 min，最大轴温为77.13 ℃，比回送及试运行期间的高，说明300 km/h速度等级下轴承进一步有效地完成了匀脂磨合，并且在之后的载客过程中，轴承温度较为稳定，未出现温度过高的情况。

图6 各阶段下新换轮对轴承温度变化趋势

2017年1—7月该动车段进行三级修检修的动车组轴承的统计数据见表4。

由表4可知，在运行里程满足试运行要求的情况下，300 km/h速度等级下试运行期间轴承达到最大轴温的数量大于250 km/h速度等级下的，说明较高速度等级对于轴承有效匀脂磨合有一定的促进作用。对返厂三级修中未在250 km/h速度等级下完成有效匀脂的轴承进行跟踪，统计出实际载客上线后，在300 km/h速度等级下达到最高轴温，形成有效匀脂磨合的总里程与对应的轴承数，结果见表5。

表5 300 km/h速度等级下完成有效匀脂磨合轴承数与实际上线交路里程统计表

由于部分轴承数据缺失，表5为统计的640套轴承数据信息。由表5可知，实际载客运行600 km时，82%以上的新换轮对轴承完成了有效匀脂磨合；当运行里程达到1 000 km时，该比例达到97%以上。而动车组返厂三级修回送里程为1 300 km，在250 km/h速度等级下，只有60套轴承完成了有效匀脂磨合。

说明了在运行里程基本相同的情况下，相比于250 km/h速度等级，300 km/h速度等级可使轴承更快形成有效匀脂磨合。

对比不同速度等级下轴承温度变化趋势可知，运行速度等级越高，轴承温度骤升现象越明显，对轴承快速形成有效匀脂的影响也越明显。

1.2.2 有效速度等级下的运行时间对于轴承匀脂的影响

对新换轮对轴承温度超过和未超限定标准的动车组进行数据分析，分别对前文中9起故障动车组及临修新换轮对轴承温度数据进行统计，发现在300 km/h速度等级下，若新换轮对轴承持续运行时间较短，轴承匀脂效果不明显，在载客运行初期轴承易出现温度急剧升高甚至超过限定标准的现象。

该型动车组试运行后上线载客运行期间轴承温度变化趋势如图7所示。

由图7可知，试运行期间动车组某车厢3轴左侧轴承最高温度为72 ℃；试运行后初次载客运行期间，该轴承以300 km/h速度持续运行22 min后，轴承达到最高温度121 ℃，比同转向架同位置轴承温度高40 ℃，在运行交路内，持续运行时间更长，约48 min，故障轴承温度呈下降趋势，且与同车其他轴承温度逐渐趋于一致。这说明轴承需在高速下持续运转一定时间才能完成匀脂磨合。

根据运用现场实际数据，分析轴承形成有效匀脂磨合的时间规律。统计2017年1—7月该动车段122条经过临修更换的新轮对，跟踪每套轮对轴承在试运行及载客初期的温度变化趋势。试运行后的载客运行初期，在持续高速运转后新换轮对轴承温度达到最高，之后温度逐渐下降并趋于稳定。统计轴承达到最高温度时在300 km/h下的持续运行时间及轴承数，结果如图8所示。

图8 300 km/h下临修更换新轮对轴承持续运行时间和数量统计图

由图8可知，在持续运行30 min，达到最高轴温完成匀脂磨合的轴承占93%以上，持续运行30 min以上才能完成匀脂磨合的轴承占7%，这说明持续运行30 min，新换轮对轴承基本上能够完成有效匀脂磨合。

因此，临修换轮轴承有效匀脂磨合的里程可根据持续运行时间测算，由于临修换轮试运行要求前100 km限速250 km/h，实际在300 km/h速度等级下持续运行30 min能够使93%以上的轴承完成有效匀脂磨合，考虑到动车组加速、减速过程的里程，可以测算完成单程试运行里程约300 km，试运行往返全部里程为600 km。

同理，对三级修轴承匀脂有效时间进行统计，为便于数据归类整理，统计返厂三级修回送及试运行期间未达到最高轴温，且在后续载客期间以300 km/h速度等级达到最高轴温的轴承总数为708套，在该速度等级下轴承持续运行时间及数量统计图如图9所示。

图9 300 km/h下三级修后载客期间轴承持续运行时间和数量统计图

由图9可知，三级修新换轮对轴承在300 km/h速度等级下，持续运行40 min完成有效匀脂磨合的轴承占98%以上，完成匀脂磨合需要持续运行40 min以上的轴承只占2%。

1.2.3 小结

综上，结合试运行要求，可以得出三级修试运行期间，能够使大部分轴承完成有效匀脂磨合的要求为300 km/h速度等级下持续运行40 min。由于四、五级修及新配属动车组其试运行里程较三级修高，试运行速度等级要求相同，因此三级修的轴承有效匀脂磨合要求对其他高级修及新配属动车组同样适用。

2 结论

1)现行临修换轮及高级修试运行标准要求不能保证轮对轴承完成有效匀脂磨合。由于速度及里程的影响，轴承无法完成匀脂磨合，使其在载客运行初期易产生温度过高的现象。

2)速度等级越高，对轴承有效匀脂磨合的促进作用越明显。相比于250 km/h速度等级，300 km/h速度等级能使新轴承更加有效、快速地完成匀脂磨合。

3)轴承快速完成有效匀脂磨合要满足的条件为300 km/h速度等级下至少持续运行30 min，单程试运行里程不少于300 km；在结合高级修试验及跑合试运行过程中，轴承需在300 km/h速度等级下至少持续运转40 min。

4)载客运行初期，在高速度等级下轴承进行长大交路持续运行时，易产生轴温高,温差超过预警阈值的现象。

3 建议

3.1 优化试运行方案

临修换轮试运行优化方案为：试运行前100 km按照250 km/h速度等级运行，轴温正常后，在300 km/h速度等级下持续运行不少于30 min，单程总里程不少于300 km。

高级修及新配属动车组试运行优化方案为：在不少于试运行规定里程前提下，动车组可结合高级修试验及跑合试运行过程，以300 km/h速度等级持续运行不少于40 min。

3.2 优化载客运营初期交路安排

由于新换轮对轴承在载客运行初期存在匀脂磨合过程，高速持续运行较长时间或里程，轴承易产生轴温过高或温差过大的现象，甚至超过监控限定标准。建议临修更换轮对动车组、高级修及新配属动车组进行试运行后，在载客运行初期优先安排中间停站多、里程短的交路运行。

3.3 研究轴承匀脂设备

临修轮对轴承可在轮对跑合试验台进行预跑合，这样可以提前使轴承完成匀脂磨合，有效避免轮对轴承在运行载客初期因匀脂不均产生温度过高或温差超限的故障[5]。