摘 要：介紹了鐵道車輛車軸、牽引電動(dòng)機(jī)、齒輪裝置用軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)的現(xiàn)狀和新技術(shù)動(dòng)向，并提出了提高軸承性能的對(duì)策。
最近的鐵道車輛用車軸、牽引電動(dòng)機(jī)及齒輪裝置用軸承，要求實(shí)現(xiàn)高速化、輕量化及緊湊化，以提高性能，同時(shí)，在軸承維修方面，迫切要求延長(zhǎng)分解檢查周期，延長(zhǎng)工作壽命。下面介紹在上述背景下，鐵道車輛用軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)的新動(dòng)向。
1 車軸軸承
1.1車軸軸承所要求的功能
車軸軸承除了承受由車輛質(zhì)量及裝載質(zhì)量構(gòu)成的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)徑向載荷外，還要承受軸向非恒定的推力。軸承是走行裝置中的一個(gè)零部件，因而其故障對(duì)于車輛運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。因此，長(zhǎng)期以來，在軸承結(jié)構(gòu)的選擇、設(shè)計(jì)制造方面進(jìn)行了周密考慮。車軸軸承在適應(yīng)各個(gè)時(shí)期車輛的需要中得到了發(fā)展，而最近要求車軸軸承高速化、輕量化、免維修化。
關(guān)于新干線的提速，從1992年JR東海公司300系新干線電動(dòng)車組開始，以最高速度270km/h運(yùn)營(yíng)，1997年JR西日本公司采用500系新干線電動(dòng)車組開始速度300km/h的運(yùn)營(yíng)。即使是既有線車輛，1989年JR東日本公司651系特快電動(dòng)車組也首次開始130km/h的運(yùn)營(yíng)。以后，JR各公司競(jìng)相在既有線上進(jìn)行了列車提速。在上述的列車提速中車軸軸承在結(jié)構(gòu)上取得了新的發(fā)展。
第二個(gè)重要條件是輕量化，特別是列車高速化時(shí)迫切要求車輛自身的輕量化。車輛的輕量化關(guān)系到節(jié)能，同時(shí)是為減輕對(duì)軌道影響的必要條件。另外，降低簧下質(zhì)量及簧間質(zhì)量(軸彈簧與空氣彈簧間的質(zhì)量)，可認(rèn)為有利于高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，從而也要求車軸軸承輕量化。
尤其是最近以來，根據(jù)鐵道公司經(jīng)營(yíng)上的理念，迫切要求免維修化，根據(jù)運(yùn)輸省命令規(guī)定，日本鐵道車輛按照指定的運(yùn)行里程或運(yùn)行時(shí)間施行檢查或修理。最近，延長(zhǎng)車輛檢修周期成為發(fā)展方向。例如，新干線檢修車輛的全面檢查，目前是不滿90萬km或運(yùn)行不滿3年；而21世紀(jì)初期目標(biāo)是延長(zhǎng)到運(yùn)行120萬km。目前，車軸軸承在轉(zhuǎn)向架檢查周期中施行檢修，但將來要求運(yùn)行120萬km免維修。
1.2車軸軸承結(jié)構(gòu)的發(fā)展
如上所述，在車軸軸承上間歇地作用有軸向載荷即完全承受推力，這是結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來，日本廣泛采用圓柱滾動(dòng)軸承受徑向載荷，用深槽滾珠軸承承受推力的軸承結(jié)構(gòu)，推力的緩沖則采用了橡膠或碟形彈簧。即使是1964年開通的新干線0系電動(dòng)車組，也采用了這種結(jié)構(gòu)(圖1)。當(dāng)時(shí)，由于列車在世界上首次超過200km/h運(yùn)營(yíng)，采用真空精煉鋼材作為滾子材料；保持架是黃銅制無鉚釘結(jié)構(gòu)，車軸軸承首次采用油浴潤(rùn)滑(渦輪機(jī)油)替代潤(rùn)滑脂等，結(jié)構(gòu)上對(duì)高速運(yùn)行時(shí)的可靠性進(jìn)行了周密考慮，該類軸承在以后超過30年的時(shí)間內(nèi)，對(duì)于新干線的安全運(yùn)行作出了貢獻(xiàn)。
20世紀(jì)50年代后半期，日本國鐵在貨車上首次采用了用內(nèi)、外圈的擋邊承受軸向載荷的帶擋邊的圓柱滾動(dòng)軸承，20世紀(jì)70年代以后，已廣泛用于既有線的電動(dòng)車輛上。這種結(jié)構(gòu)由于用擋邊承受推力，起初認(rèn)為在高速域承載能力有問題，但通過在擋邊角度及滾柱端面曲率等軸承的設(shè)計(jì)方面下功夫，并且通過提高加工精度，解決了問題，在既有線車輛上積累了較多的運(yùn)用實(shí)績(jī)。因此，在1992年開始以270km/h運(yùn)營(yíng)的新干線300系“希望”號(hào)車輛上，基于輕量化的目的，采用了這種軸承。300系車輛還采用將軸箱用鋁合金(JIS AC4C)替代以往的鑄鋼等措施，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了輕量化，這種軸承仍沿用油浴潤(rùn)滑。
1989年首次在既有線上達(dá)到130km/h運(yùn)行速度的651系特快電動(dòng)車組上，采用了潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑密封型圓錐滾動(dòng)軸承。圓錐滾動(dòng)軸承滾道表面可承受徑向載荷與軸向載荷，能實(shí)現(xiàn)較緊湊的設(shè)計(jì)，從而使軸承輕量化。另外，采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑密封形式，可望實(shí)現(xiàn)免維修，而且這類軸承可減小軸向間隙，從而有利于運(yùn)行穩(wěn)定性。
由于有以上的優(yōu)點(diǎn)，1990年以后，JR各公司新造的既有線電動(dòng)車組、內(nèi)燃動(dòng)車組上基本采用了潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑密封型圓錐滾動(dòng)軸承。即使是新干線電動(dòng)車輛，1997年開始以300km/h運(yùn)營(yíng)的500系車輛上也采用了潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑密封型圓錐滾動(dòng)軸承(圖2)。以后，JR東日本公司的E2系、E4系編組列車上也采用了同樣結(jié)構(gòu)的軸承，而JR東海公司的700系車輛正在采用油浴潤(rùn)滑的圓錐滾動(dòng)軸承。
1.3車軸軸承的壽命與維修
車軸軸承是考慮直至滾子、滾道表面發(fā)生剝離的壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)的。關(guān)于維修，新干線電動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架檢查(運(yùn)行不滿1年或45萬km)及全面檢查(運(yùn)行不滿3年或90萬km)，既有線電動(dòng)車組重要部位檢查(運(yùn)行不滿4年或60萬km)及全面檢查(運(yùn)行不滿8年)時(shí)，車軸軸承進(jìn)行分解檢查，同時(shí)，對(duì)新干線達(dá)到運(yùn)行一定里程(300萬km)或年數(shù)(6年～7年)，就有計(jì)劃地進(jìn)行更換。迄今為止的實(shí)績(jī)，沒有由于產(chǎn)生剝離的情況而更換軸承，由于電蝕而更換軸承的情況較多。在檢查階段也有一些一經(jīng)確認(rèn)有壓痕、傷痕等而更換軸承的情況，計(jì)劃更換的比例占了大多數(shù)。
潤(rùn)滑脂密封型圓錐滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑脂與密封的壽命成為關(guān)鍵問題。目前，新干線車輛每次轉(zhuǎn)向架檢查中都進(jìn)行車軸軸承檢修，但在既有線車輛中，到全面檢查輪徑到達(dá)限度值(運(yùn)行平均為100萬km左右)前，不取出密封型車軸軸承作檢查，從而，至關(guān)重要的問題是確保潤(rùn)滑脂與密封最短也要達(dá)到上述的壽命。
2 牽引電動(dòng)機(jī)用軸承
電動(dòng)車牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)軸節(jié)傳遞到齒輪裝置的小齒輪上，再由小齒輪傳遞到壓裝在車軸上的大齒輪上，最后成為輪軌間的驅(qū)動(dòng)力及制動(dòng)力。牽引電動(dòng)機(jī)及齒輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)裝置中使用的軸承很重要。牽引電動(dòng)機(jī)/齒輪裝置間的聯(lián)軸節(jié)方式各不相同，圖3為平行萬向聯(lián)軸節(jié)式驅(qū)動(dòng)裝置的典型實(shí)例，表示其軸承位置。窄軌線路上運(yùn)行的電動(dòng)車，由于轉(zhuǎn)向架空間的關(guān)系，可使用撓性板聯(lián)軸節(jié)；而在軌距較寬的線路上運(yùn)行的新干線電動(dòng)車使用了齒輪聯(lián)軸節(jié)。最近，由于牽引電動(dòng)機(jī)的緊湊化，連既有線電動(dòng)車也采用了短距離內(nèi)產(chǎn)生必要撓性位移的CFRP板聯(lián)軸節(jié)。
2.1牽引電動(dòng)機(jī)用軸承功能
電動(dòng)車牽引電動(dòng)機(jī)用軸承承受由轉(zhuǎn)子軸及聯(lián)軸節(jié)的質(zhì)量產(chǎn)生的徑向載荷，進(jìn)行高dmN值(軸承滾動(dòng)體的節(jié)圓直徑與旋轉(zhuǎn)速度的積)的旋轉(zhuǎn)，并且頻繁而交替地運(yùn)轉(zhuǎn)、停止。由于運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架振動(dòng)的影響，軸承承受動(dòng)載荷，由于靜態(tài)質(zhì)量相對(duì)較小，牽引電動(dòng)機(jī)用軸承的計(jì)算壽命，比車軸用軸承及齒輪裝置用軸承的壽命長(zhǎng)很多。通常，這類軸承型式是，齒輪側(cè)使用圓柱滾動(dòng)承;與齒輪相反的另一側(cè)采用深槽滾珠軸承，它兼具支承轉(zhuǎn)子軸軸向運(yùn)動(dòng)的作用，采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。近年來的新型電動(dòng)車安裝了VVVF控制的交流電動(dòng)機(jī)，其電機(jī)實(shí)現(xiàn)了輕量化、緊湊化，且保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4表示有關(guān)新干線與既有線電動(dòng)車運(yùn)營(yíng)的最高速度與牽引電動(dòng)機(jī)軸承(齒輪側(cè))的dmN值的關(guān)系。新干線與既有線車輛牽引電動(dòng)機(jī)用軸承的dmN值基本上相同，而相對(duì)應(yīng)的大、小齒輪間的傳動(dòng)比：新干線電動(dòng)車大致為2～3;而既有線電動(dòng)車大致為4～7，后者是前者的2倍。因此，車輛運(yùn)行一定距離時(shí)的軸承累計(jì)旋轉(zhuǎn)數(shù)，既有線電動(dòng)車是新干線電動(dòng)車的2倍左右。
采用交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，為處理軸承的高速旋轉(zhuǎn)與牽引電動(dòng)機(jī)各部件的溫度上升問題，在提高軸承及潤(rùn)滑脂的耐熱性、耐久性上下了功夫。通常，直流電動(dòng)機(jī)采用了鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，它是一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承用的一種潤(rùn)滑脂。隨著牽引電動(dòng)機(jī)采用交流電動(dòng)機(jī)，以提高耐熱性、耐久性為目標(biāo)，開發(fā)了復(fù)合鋰基皂性潤(rùn)滑脂，廣泛應(yīng)用于以300系新干線電動(dòng)車為首的采用了交流電動(dòng)機(jī)的車輛上，在采用了交流電動(dòng)機(jī)的新型既有線電動(dòng)車輛牽引電動(dòng)機(jī)上，也廣泛應(yīng)用了這種潤(rùn)滑脂。在軸承方面，由于改變保持架導(dǎo)向方式，減少了潤(rùn)滑脂的老化；通過軸承絕緣防止電蝕；通過尺寸穩(wěn)定化熱處理的應(yīng)用，抑制了軸承尺寸的變化。保持架是高精度地維持滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸承零件，而其自身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向有沿外圈內(nèi)徑面進(jìn)行導(dǎo)向的方式(外圈導(dǎo)向)和利用滾動(dòng)體(滾子)的滾動(dòng)面進(jìn)行導(dǎo)向(滾動(dòng)體導(dǎo)向)的方式。外圈導(dǎo)向時(shí)的保持架，由于與外圈內(nèi)徑面之間形成滑動(dòng)接觸，如因潤(rùn)滑脂老化及產(chǎn)生電蝕等導(dǎo)致潤(rùn)滑性能降低，則保持架導(dǎo)向面及外圈內(nèi)徑面易引起磨耗。而滾動(dòng)體導(dǎo)向方式由于與滾動(dòng)面的滑動(dòng)接觸，更容易確保油潤(rùn)，即使?jié)櫥瑮l件降低的情形下，也有利于防止?jié)櫥匣?，加上保持架制造技術(shù)的進(jìn)步及成本降低等效果，最近，牽引電動(dòng)機(jī)軸承正在使用滾動(dòng)體導(dǎo)向的保持架。為防止電蝕，采取了各種對(duì)策，也提高了效果，確認(rèn)軸承的絕緣是最有效的方法。軸承的絕緣處理有對(duì)外圈外徑面及端面被覆以氧化鋁為主要成分的陶瓷及PPS樹脂(聚苯硫醚)等絕緣物的方法。陶瓷采用噴鍍法，PPS采用注射成型法被覆在外圈外徑面，被覆層粘附牢固(圖5)。
陶瓷被覆的絕緣軸承首先應(yīng)用于300系新干線主電動(dòng)機(jī)軸承，并擴(kuò)大應(yīng)用于其他新干線電動(dòng)車上。PPS的缺陷是韌性稍為不足，但其具有耐熱性及尺寸穩(wěn)定性，成型加工性能也好。成型時(shí)添加玻璃纖維以改善韌性。表1是氧化鋁陶瓷與PPS物理性質(zhì)的比較。在熱力性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)及絕緣破壞特性等物理性質(zhì)方面，氧化鋁陶瓷優(yōu)于PPS樹脂，但是，PPS雖稍微遜色，實(shí)際應(yīng)用上并無問題，況且由于成本方面的優(yōu)勢(shì)，PPS樹脂被覆的絕緣軸承，最先應(yīng)用于以JR東日本公司E209系的電動(dòng)車上，并大量應(yīng)用于安裝了交流電動(dòng)機(jī)的新型既有線電動(dòng)車上。
開發(fā)絕緣軸承時(shí)，不僅針對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)所必需的特性進(jìn)行了試驗(yàn)，而且進(jìn)行了與軸箱的分解組裝試驗(yàn)，還設(shè)定了軸承的藥液清洗，進(jìn)行了液體浸漬試驗(yàn)等一系列從維修方面考慮的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。
2.2牽引電動(dòng)機(jī)軸承的新維修法
300系新干線電動(dòng)車以交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用為契機(jī)，為替代以往的分解檢查法，進(jìn)行了主要以軸承部分為對(duì)象的牽引電動(dòng)機(jī)的非分解檢查法的開發(fā)。對(duì)于運(yùn)行到檢查周期距離的車輛用牽引電動(dòng)機(jī)，在完全非分解狀態(tài)下實(shí)施軸承有無異常的檢測(cè)，及對(duì)再使用軸承的潤(rùn)滑脂清洗并重新填充潤(rùn)滑脂等。軸承是否有異常的檢測(cè)是通過對(duì)軸承的振動(dòng)法及采用了熒光X射線的潤(rùn)滑脂的現(xiàn)場(chǎng)(就地)分析來進(jìn)行的，采用組合了高溫、高壓水及真空吸引的裝置實(shí)施潤(rùn)滑脂的清洗。
3 齒輪裝置用軸承
3.1齒輪裝置用軸承的功能
圖3為齒輪裝置用軸承，大齒輪及小齒輪均用1對(duì)的單列圓錐滾動(dòng)軸承，小齒輪軸承由牽引電動(dòng)機(jī)側(cè)與車輪側(cè)的正面組合構(gòu)成；大齒輪軸承由于聯(lián)軸節(jié)不同，有背面組合與正面組合。齒輪裝置的軸承作用是，作為支承機(jī)構(gòu)，一方面承受運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，一方面將旋轉(zhuǎn)力平穩(wěn)地傳遞到車軸上。它是在嚴(yán)格條件下使用的一種軸承，包含了振動(dòng)條件的載荷與轉(zhuǎn)速是軸承的主要設(shè)計(jì)依據(jù)，其潤(rùn)滑采用80號(hào)或90號(hào)齒輪油油浴潤(rùn)滑。作為軸承載荷，可按齒輪裝置額定轉(zhuǎn)矩工況下，對(duì)以考慮了動(dòng)載荷系數(shù)的齒輪嚙合反力，和運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)加速度為前提的小齒輪軸和齒輪(變速)箱的慣性力為主要載荷要素，以齒輪變速箱的尺寸要素為基礎(chǔ)，求出軸向及徑向的軸承載荷。近年來，300系以后的新干線電動(dòng)車齒輪箱由以往的鑄鋼材料改為鋁合金(JIS AC4C)材，結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了小型化，其質(zhì)量為以往的∀.左右，減輕了簧下質(zhì)量，從而有利于降低軸承載荷。最近，新干線電動(dòng)車軸承的尺寸隨著轉(zhuǎn)向架零部件的輕量化正在實(shí)現(xiàn)小型化。
如圖6所示，圓錐滾動(dòng)軸承由于內(nèi)圈大擋邊與圓錐滾子的大端面形成滾動(dòng)、滑動(dòng)接觸，接觸點(diǎn)的表面壓力與滑動(dòng)速度V的積即PV值，作為對(duì)于發(fā)生熱膠著及咬傷限界的一種目標(biāo)。圖7表示關(guān)于最近新干線和既有線電動(dòng)車齒輪裝置的PV值分布。圖7中各曲線對(duì)應(yīng)于具體的車輛，這里所謂的額定運(yùn)轉(zhuǎn)速度，如用各車輛的最高運(yùn)行速度的比例表示，停車次數(shù)多的既有線電動(dòng)車大致為37%～66%;而新干線電動(dòng)車大致相當(dāng)于55%～74%的速度范圍。另外，P的值以不包含振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)載荷為前提。新干線電動(dòng)車與既有線電動(dòng)車之間表面壓力及接觸點(diǎn)的滑動(dòng)速度看來存在若干差異，但是如用PV值來看則無大的差異。
3.2提高齒輪裝置用軸承的性能
齒輪裝置用軸承尤其是小齒輪軸承，受到車輛運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的影響，保持架各部分產(chǎn)生各種高頻交變應(yīng)力。特別是新干線電動(dòng)車高速化時(shí)，確保保持架的疲勞強(qiáng)度的可靠性是技術(shù)課題。采用提高保持架的板厚，以增強(qiáng)剛性，降低應(yīng)力，以及利用保持架表面施行軟氮化處理，以提高耐磨性，同時(shí)提高疲勞強(qiáng)度的方法等，顯著改善了保持架的疲勞強(qiáng)度。
具有高速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特征的新干線電動(dòng)車齒輪裝置，由于潤(rùn)滑油的攪拌，溫度上升較高，為了防止長(zhǎng)時(shí)間使用下因內(nèi)圈內(nèi)徑尺寸的增大引起軸承內(nèi)圈的蠕動(dòng)，軸承內(nèi)圈一般施行尺寸穩(wěn)定化熱處理。既有線電動(dòng)車的小齒輪軸承有出現(xiàn)內(nèi)圈擋邊燒傷的情形，這是由于圖6所示內(nèi)圈的大擋邊面與滾子端面間的滾動(dòng)、滑動(dòng)接觸部的油膜破裂(斷油)產(chǎn)生的現(xiàn)象，但與前述的PV值之間的直接關(guān)系并不密切。傳動(dòng)比大的既有線電動(dòng)車起動(dòng)時(shí)齒輪高加速旋轉(zhuǎn)，由于快速的溫度上升，容易導(dǎo)致軸承軸向間隙減小，內(nèi)圈大擋邊面與滾子端面的摩擦表面上，有產(chǎn)生油膜破裂的情形。通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生什么問題，但是在冬季起動(dòng)時(shí)，由于室外溫度低，潤(rùn)滑油粘度高，有潤(rùn)滑油難以巡回的現(xiàn)象。對(duì)于內(nèi)圈擋邊燒傷，著眼于加大軸承軸向間隙管理值的下限，改善齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，對(duì)于寒冷地區(qū)，適當(dāng)降低潤(rùn)滑油粘度等。此外，可在軸承設(shè)計(jì)方面予以改進(jìn)，采取使內(nèi)圈大擋邊與滾子大端面的接觸處移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)中心，降低接觸點(diǎn)的滑動(dòng)速度和改善接觸面的表面粗糙度等措施，來防止內(nèi)圈擋邊的燒傷。
4 結(jié)束語
鐵道車輛用軸承在適應(yīng)于各個(gè)時(shí)期的需求中獲得發(fā)展，今后的課題是，為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的免維修，更正確地掌握以實(shí)際承受載荷為首的使用條件，另外，現(xiàn)在軸承材料顯著進(jìn)步，在提高滾動(dòng)疲勞強(qiáng)度措施方面，從滾子與擋邊或保持架等滑動(dòng)接觸部分的摩擦學(xué)方面進(jìn)行研究是至關(guān)重要的課題。
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