論我國重大技術(shù)裝備軸承的自主安全可控（2）——高速動(dòng)車組軸箱軸承

2 高速動(dòng)車組軸箱軸承

高速動(dòng)車組軸承包括軸箱軸承、變速箱軸承和牽引電機(jī)軸承。本文討論其中價(jià)值最高、可靠性和安全性也要求最高的軸箱軸承。

2.1 軸箱軸承類型

我國高速動(dòng)車組應(yīng)用的軸箱軸承有2類：

1)SKF雙列圓柱滾子軸承(圖3)；

2)FAG，NSK，NTN的雙列圓錐滾子軸承(圖4)。

圖3 雙列圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式

Fig.3 Structure of double row cylindrical roller bearing

圖4 雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式

Fig.4 Structure of double row tapered roller bearing

動(dòng)車組技術(shù)來源和進(jìn)口軸承的生產(chǎn)廠家見表3，各型動(dòng)車組軸箱軸承基本信息見表3，至2020年，全國鐵路擁有動(dòng)車組數(shù)量3918標(biāo)準(zhǔn)組，共31344輛。

表3 動(dòng)車組技術(shù)來源和進(jìn)口軸承的生產(chǎn)廠家

Tab.3 Technology sources of EMUs and manufacturers of imported bearings

2.2 技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)

高速動(dòng)車組軸箱軸承的技術(shù)指標(biāo)見表4，其關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.2.1 軸承產(chǎn)品的仿真分析和數(shù)字化設(shè)計(jì)

采集并編制高速動(dòng)車組軸承載荷譜，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，產(chǎn)品數(shù)字化建模，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(包括滾動(dòng)體和滾道凸度修形，滾動(dòng)體球基面與擋邊接觸狀態(tài)，各工作表面硬度和粗糙度匹配等)。

2.2.2 軸承鋼材的研發(fā)和制備

制訂高速動(dòng)車組軸承鋼材標(biāo)準(zhǔn)并按標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)、制備高速動(dòng)車組軸承鋼材，提高對(duì)夾雜物和碳化物的含量、大小、形狀、分布狀況的控制水平。

2.2.3 軸承滾子的研發(fā)和制備

研發(fā)配套高精度圓錐滾子和圓柱滾子的先進(jìn)制造工藝和數(shù)字化裝備并形成生產(chǎn)能力。滾子圓度誤差、基準(zhǔn)端面圓跳動(dòng)、基準(zhǔn)端面圓R值散差、規(guī)值批直徑變動(dòng)量、規(guī)值批圓錐角變動(dòng)量(僅圓錐滾子)、滾動(dòng)表面粗糙度、基準(zhǔn)端面粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且有較大的精度儲(chǔ)備。

2.2.4 軸承保持架的研發(fā)和制備

建立保持架穩(wěn)態(tài)分析模型和動(dòng)力學(xué)分析模型，建立保持架運(yùn)動(dòng)方程和碰撞、沖擊振動(dòng)方程，研究保持架設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、碰撞和沖擊振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律。通過以上分析確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，以保證保持架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和抗沖擊能力。

從力學(xué)性能、抗沖擊強(qiáng)度、吸水性、熔點(diǎn)、尺寸穩(wěn)定性等方面進(jìn)行工程塑料保持架的材料應(yīng)用技術(shù)研究；制訂指導(dǎo)工程塑料保持架生產(chǎn)、檢驗(yàn)、驗(yàn)收及使用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，形成工程塑料保持架的生產(chǎn)能力。

2.2.5 軸承密封件的研發(fā)和制備

從拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、熱空氣老化性能、硬度變化率、壓縮永久變形量、油脂相容性、尺寸穩(wěn)定性等方面研究密封件原料橡膠的配方、膠料制造工藝。

研發(fā)設(shè)計(jì)低摩擦力矩、防水防塵防漏脂、低溫升、利于潤滑脂循環(huán)潤滑的密封結(jié)構(gòu)；同時(shí)研究橡膠的硫化粘接技術(shù)與金屬表面處理技術(shù)，保證橡膠與金屬的粘接質(zhì)量，提高密封件的使用壽命。

制訂指導(dǎo)密封件生產(chǎn)、檢驗(yàn)、驗(yàn)收及使用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，形成密封件的生產(chǎn)能力。

2.2.6 軸承潤滑脂的研發(fā)和制備

在摩擦學(xué)研究的基礎(chǔ)上，研究軸承潤滑狀態(tài)、油膜厚度、接觸區(qū)域演化、摩擦磨損的動(dòng)態(tài)發(fā)展行為規(guī)律，研發(fā)適用于高速動(dòng)車組軸承的高效潤滑脂，保證軸承安全運(yùn)行的潤滑條件。

形成高效潤滑脂生產(chǎn)、檢測和應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范。完成軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研發(fā)。形成高效潤滑脂的生產(chǎn)能力。

2.2.7 組建示范生產(chǎn)線進(jìn)行軸承樣品試制

組建示范生產(chǎn)線，生產(chǎn)足夠數(shù)量的用于檢驗(yàn)、檢測、臺(tái)架試驗(yàn)和裝車試驗(yàn)的樣品。

2.2.8 軸承臺(tái)架試驗(yàn)

制訂耐久性試驗(yàn)、防水密封試驗(yàn)、防塵密封試驗(yàn)和綜合性能試驗(yàn)規(guī)范并進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)。

2.2.9 軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂

大力推動(dòng)和積極參與有關(guān)高速動(dòng)車組軸承的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

2.2.10 軸承裝車試驗(yàn)和應(yīng)用

由國鐵集團(tuán)按其制訂的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行裝車試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.3 市場分析

我國歷年高速動(dòng)車組的生產(chǎn)數(shù)量見表4。預(yù)計(jì)今后若干年內(nèi)，全國每年新造高速動(dòng)車組300標(biāo)準(zhǔn)列左右，每標(biāo)準(zhǔn)列8輛，每輛裝用8套軸箱軸承，則需軸箱軸承8×8×300=19200(套)。每年需大修同樣數(shù)量的車輛，即需換裝新軸承19200套。則每年的軸箱軸承需求量為38400套，每套國產(chǎn)軸承按6000元計(jì)算，銷售額約23040萬元。

表4 我國高速動(dòng)車組生產(chǎn)數(shù)量

Tab.4 Production number of high-speed EMUs in China

2.4 政策支持

高速鐵路是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重點(diǎn)領(lǐng)域。國產(chǎn)高速動(dòng)車組及配套軸承的開發(fā)應(yīng)用引起了國家有關(guān)部委的高度重視和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。十多年來，國家有關(guān)部委實(shí)施了一系列支持國產(chǎn)高速動(dòng)車組軸承開發(fā)應(yīng)用的政策項(xiàng)目，見表5(據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這些項(xiàng)目核定總投資近19億元)。

表5 支持國產(chǎn)高速動(dòng)車組軸承開發(fā)應(yīng)用的政策項(xiàng)目

Tab.5 Policy projects implemented to support development and application of bearings for domestic high-speed EMUs