变轨距动车组轴箱轴承选择及优化研究

魏家麒，向 琴，刘 旗，乔青峰

（1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；2. 洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039）

1 研究背景

由于不同国家和地区的铁路轨距存在差异，传统动车组无法实现不同轨距之间的无障碍通行，这成为制约动车组跨国互联互通运营的重要问题。轴箱轴承是变轨距动车组转向架技术的关键点之一，变轨距动车组轴箱轴承面临着全新的承载形式、特殊的接口形式与复杂的运用条件等技术难点。本文结合国内某高速变轨距动车组转向架，就变轨距转向架轴箱轴承的技术难点、设计分析和试验验证等进行系统阐述。轴箱轴承连接车轮滑移装置与锁紧机构，承担轴箱垂向载荷，传递滑移装置与锁紧机构之间的横向载荷，并能够随滑移装置移动，其构成如图1所示。

2 技术难点分析

根据上述变轨机构的结构特点，变轨距轴箱轴承主要面临横向载荷大、垂向载荷偏置、轴承安装座与车轴之间存在间隙等几个关键问题。

2.1 轴向载荷

在传统轮对结构中，轮对两侧轴箱轴承共同承担轮对合成轴向载荷，如图2所示，即轮轨横向载荷的矢量和：

式（1）中，H1为增载侧轴箱轴承轴向载荷；H2为减载侧轴箱轴承轴向载荷；Y1为增载侧轮轨横向力；Y2为减载侧轮轨横向力。

对于变轨距转向架轮对结构，车轮轴向载荷需要通过轴箱轴承，经锁紧机构传递给轴箱，进而由轴箱分别传递到车轴和一系定位装置，所以变轨距转向架用轴箱轴承分别承担对应车轮的轮轨横向力，如图3、图 4所示，其轴向荷载与轮轨横向力关系式见式（2）、式 （3）：

根据动车组多体动力学模型计算结果，对于7 000 m半径曲线，考虑轮轴0.25 mm以下纵向间隙，0.45 mm以下横向间隙及3 m/rad以下旋转间隙，在以武广客运专线轨道谱为激励的情况下，变轨距转向架各速度等级最大轮轨横向力为59 kN，发生在4位轮对上，如图 5 所示。

2.2 径向载荷偏置

不同轨距轴箱轴承受力情况如图6所示，在宽轨状态下轴箱轴承随车轮滑移装置向外移动，轴箱径向载荷集中在轴箱轴承中心内侧；在窄轨状态下轴箱轴承随车轮滑移装置向内移动，轴箱径向载荷集中在轴箱轴承中心外侧。2个工况下轴箱轴承均存在偏载。

对于双列滚子轴承，径向载荷偏置引起滚子承载不均衡，参考一般动车组轴箱轴承，滚子承载跨距约75 mm、偏载21.75 mm（ 轨距按1 435～1 520 mm变化）情况下径向载荷偏载比例为57%，相对于无偏载工况寿命缩短40%。

2.3 轴承节径偏大

由于变轨距转向架轴承安装座直径偏大，导致轴箱轴承节径达到230 mm，而国内既有高速动车组用轴箱轴承通常节径都在185 mm左右。大节径导致相同转速下轴承滚子线速度相对较高，容易发生轴温偏高的情况。

根据动车组轴箱轴承试验温度统计，在良好的润滑、密封与承载条件下，轴箱轴承的最高温度（20 ℃ 环境温度）与速度因子Dmn大致呈线性相关，其中Dmn=转速×轴承节径。

根据一般轴箱轴承的耐受温度，应确保轴承工作温度不高于 120 ℃，Dmn值不超过 485 000 mm · 转 /min。而根据变轨距转向架的结构需求，轴箱轴承在400 km/h情况下的Dmn值将达到574 000 mm · 转/min，对应轴温预期在140 ℃。所以轴承设计上应采取一定措施以降低轴承运用温度。

3 轴承承载分析

3.1 径向承载

在径向承载工况下，圆柱滚子轴承滚子正压力之和等于轴承径向载荷，而圆锥滚子轴承由于接触角的存在，会由径向载荷派生出轴向分力，如图7所示。所以在其他参数相当的情况下，圆柱滚子轴承径向承载能力更好。

3.2 轴向承载

圆锥滚子轴承主要依靠滚道面承担，具有较高的轴向承载能力，且接触角越大，滚道面能够分担的轴向载荷越大，一般圆锥滚子轴承的挡边只承担20%的轴向载荷。而圆柱滚子轴承的横向载荷基本由挡边承担，同时由于轴向载荷对滚子产生附加力矩，容易引起滚子倾斜，所以轴向承载能力较弱，一般在轴向载荷与径向载荷比例大于25%的情况下，不建议采用圆柱滚子轴承。

3.3 轴承转速

在轴向载荷较小的情况下，圆柱滚子轴承母线更接近纯滚动，并且母线正压力载荷相对圆锥滚子轴承较小，一般滚子接触载荷增加，润滑性能会随之降低，所以在高转速情况下圆柱滚子轴承具有一定优势，而圆锥滚子轴承在滚动中会产生矫正摩擦力矩，造成额外的滑动摩擦。但是在轴向载荷偏大的情况下，圆柱滚子轴承挡边会发生剧烈地滑动摩擦，造成轴承产热量急剧上升。

4 轴承结构形式、布置及优化

目前，高速动车组轴箱轴承通常采用自密封双列圆锥滚子轴承或双列圆柱滚子轴承。一般来说，从轴承结构及承载形式来分析，圆锥滚子轴承的内外圈滚道为圆锥面且滚子呈圆锥体，内外圈滚道及滚子的圆锥定点延长线相交于轴承中心延长线，从而保证滚子接触母线上各点均进行相对滚动；圆柱滚子轴承内外圈滚道呈圆柱面，滚子呈圆柱体。

4.1 结构形式选择

根据上述对变轨距转向架的技术分析，轴箱轴承将受到较大的轴向载荷，理论上极端情况下甚至能达到径向载荷的70%左右，在这种情况下对圆柱滚子轴承是极端不利的；考虑到偏载、线路、高转速等应用工况，圆锥滚子轴承具有较好的轴向承载能力和高轴向载荷条件下的速度性能，工况适应性更优；双列圆锥滚子轴承为单元化紧凑配置结构，整体强度高，易于安装、拆卸和维护。所以，对于变轨距转向架，双列圆锥滚子轴承是较优选择，其整体结构如图8所示。

4.2 轴承滚子布置

考虑变轨距轴箱轴承长期处于偏载状态，为提高轴承对偏载工况的适应性，在可能的范围内增加轴承滚子滚道承载跨距，参考2.2章节中偏载情况对轴承寿命产生的影响，通过简单的载荷分配评估，将轴承滚子滚道承载跨距增大到107 mm，可以将偏载比例降低到40%以下，寿命缩短比例仅为23%，在当前变轨距轴箱轴承载荷条件下能够达到360万 km以上。

4.3 轴承及润滑优化

4.3.1 滚子母线优化

轴承滚子滚道承载跨距增加会增加轴承宽度，降低轴承整体刚度，需要对滚子母线进行优化，避免滚子边缘产生应力集中。根据国内外设计经验，滚子母线采用对数曲线修形，并通过有限元分析计算，对修形凸度进行优化。根据滚子滚道接触应力分布情况，在25 μm凸度值范围内轴承滚子最大接触应力变化不大，应力水平在1 200 MPa以下；而较大的凸度修形更容易使轴承母线边缘避免载荷，这对于避免前面提到的轴承加长后可能发生的变形所引起的应力集中是有好处的，并且可以增加轴承对外部载荷的适应能力，具有较高的安全储备。考虑变轨距转向架轴箱轴承复杂的工作环境，在应力水平及加工能力允许的条件下宜采用较大的25 μm凸度修形。

4.3.2 润滑优化

铁路轴承一般采用油润滑或脂润滑方式。油润滑轴承由于润滑油搅拌产热较高，同时需要复杂的轴箱体密封及回油结构，并应定期进行润滑油更换与检查，这对于变轨距转向架本身轴箱结构复杂的特点显然是不适合的，所以宜采用免维护周期长的脂润滑。

（1）润滑脂选择。目前广泛运用的动车组轴箱轴承润滑脂多以矿物润滑油作为润滑介质，锂皂基作为稠化剂，再辅以其他添加剂。稠化剂吸附矿物油形成脂状，在轴承内部分布，运用时润滑脂受到挤压剪切，矿物油析出，在滚子与滚道面之间形成油膜。良好的油膜分隔能够有效减少滚子与滚道间的磨耗，缓和冲击，降低产热，提高轴承运用寿命。根据现有铁路轴箱轴承润滑脂性能参数对比，Shell Nerita 2858型润滑脂基础油黏度较低，回转阻力相对较小，并且在高速动车组的试验和运用中经过了充分验证，所以采用Shell Nerita 2858型润滑脂。

（2）润滑脂填充。轴箱轴承润滑脂需要达到一定的填充比例，才能保证在免维护周期中不会发生贫油的情况，但是对于转速较高的轴承，润滑脂填充量过大将会产生大量的搅拌热。根据既有研究成果，300 km/h以上速度等级的轴箱轴承润滑脂填充量容积比达到19%～21%，即可满足轴承温度和润滑的需要，而现行的高速动车组轴箱轴承润滑脂填充量一般为23%～25%。变轨距转向架轴箱轴承本身有产热偏大的风险，可根据既有经验和类似轴承运用经验采用较小的润滑脂容积比例。

4.3.3 密封优化

参考当前高速动车组密封结构，根据密封的接触程度可分为接触式密封和非接触式密封。考虑变轨距动车组轴箱轴承工作转速高，免维护周期长，为兼顾密封性能和轴承温升，可采用组合轻接触式密封形式。如图9所示，外密封由钢制外骨架和橡胶硫化一体成型，过盈卡嵌在轴承外圈牙口上，带有防雨罩4和密封唇1～密封唇3；内密封由钢制内骨架折弯成型，过盈安装在轴承挡油环上。密封唇1、密封唇3不接触，将密封通道分割形成迷宫腔，密封唇2与内骨架存在0.05 mm过盈量的轻接触，内外密封之间为小间隙、多唇口、多回路的迷宫式配合，能够有效起到防水、防尘效果，同时避免润滑脂泄露，保证免维护周期内可靠密封。

5 试验验证

由于变轨距转向架轴箱轴承为全新研制的轴承结构，运用条件复杂，轴承结构特殊。对于轴承运用性能上存在的许多技术疑点，如轴承运用温度、轴承安装系统上存在的间隙等，很难通过理论分析得到确切的结论。需要通过台架试验进行必要的验证。

5.1 试验设备

为确保试验满足实际运用情况，在试验台径向加载装置上增加了变轨装置，变轨装置通过径向动作的作动器实现在试验过程中自动改变径向加载位置，这样就能够在试验中再现宽轨、准轨状态下载荷工况的自动切换。试验台组成如图10所示。

5.2 试验结果

5.2.1 热性能及耐久性

试验轴承2套，依据TB/T 3017.1-2016《机车车辆轴承台架试验方法 第1 部分：轴箱滚动 轴承》（简称《TB/T 3017.1》）进行热性能及耐久性试验，模拟总里程120万 km，试验持续时间约4 000 h。负荷区温度最高70 ℃（标准要求≤100 ℃），左右2个轴承的温度差最高10 ℃（标准要求≤15 ℃）；轴承套圈及滚子在台架试验过程中未出现鳞状脱落、卡住、发热变色、掉块等现象，保持架未出现断裂、裂纹、变形、异常磨损等现象，润滑脂未出现泄漏，颜色、气味、外观上未出现异常，轴承运转性能正常，符合《TB/T 3017.1》要求。

5.2.2 极限性

依据试验大纲，对轴承进行大载荷试验和超转试验，大载荷试验分为2个试验循环：径向载荷不变，轴向载荷增加1.5倍，10 min内升速0→440 km/h，匀速30 min，10 min内减速440→0 km/h，最高有效温度为93℃；超转试验为正常载荷下10 min内升速0→600 km/h，保持1 min，10 min内减速600→0 km/h，温度无明显突变。试验后轴承外观检查无异常，满足《TB/T 3017.1》及试验大纲要求。

5.2.3 密封性

依据《TB/T 3017.1》及试验大纲，对轴承密封结构进行防水、防尘试验，静态/动态防水试验后轴箱、轴承内部无过水痕迹；对防尘试验后对粉尘颗粒和润滑脂进行检测分析，润滑脂中不含有粉尘颗粒，符合《TB/T 3017.1》试验大纲要求。

6 结论及建议

（1）考虑变轨距转向架结构特点，以及轴承运用工况复杂、轴向载荷恶劣的情况，选用综合承载能力更好、结构更为紧凑的双列圆锥滚子轴承形式。

（2）根据轴承径向载荷偏置对轴承寿命的影响分析，采用滚子滚道承载跨距增大的结构形式以延长轴承在径向载荷偏置作用下的寿命。

（3）考虑在复杂工况下优化轴承滚子滚道应力分布，采用25 μm凸度修形方案。

（4）考虑变轨距转向架轴箱轴承节径线速度高、运转热偏大的特点，采用基础油黏度更小、高速铁路上运用业绩更优的Shell Nerita 2858润滑脂，并采用小容积比填充。

（5）综合考虑轴承的密封与温度需要，采用组合轻接触密封形式。

（6）经过耐久性试验、密封性试验以及极限工况测试，证明轴承的标准工况性能满足要求，同时具备短时间承受异常载荷工况和达到600 km/h速度的能力。