高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承故障分析

趙恒喆，楊曉英，湯潔，薛玉君，馬偉

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)

截至2020年12月，我國(guó)高速鐵路里程已達(dá)到3.8×104km[1]，居世界第一位。隨著高速鐵路客車的普及以及不斷提速，營(yíng)運(yùn)中不免出現(xiàn)異常故障，軸承是動(dòng)車組的重要承載部件，也是其主要故障源。因此，充分了解現(xiàn)有高速鐵路動(dòng)車組軸承的故障類型和故障機(jī)理，識(shí)別故障風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)確保國(guó)產(chǎn)軸承的應(yīng)用以及故障風(fēng)險(xiǎn)可防可控具有重大意義。

針對(duì)高速鐵路動(dòng)車組軸承的研究，國(guó)外仍處于技術(shù)壟斷階段，公開的科研資料較少； 我國(guó)的研究起步較晚，但也取得了一定的成果；近十年的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，與高速鐵路動(dòng)車組軸承故障直接相關(guān)的文獻(xiàn)僅有96篇(碩博學(xué)位論文58篇，期刊論文20篇，專利18篇)，且現(xiàn)有文獻(xiàn)側(cè)重于軸承的故障診斷和剩余壽命預(yù)測(cè)[2]。

本文針對(duì)高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承(以下簡(jiǎn)稱軸箱軸承)的故障類型、故障原因和故障機(jī)理等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，提出故障防范措施，以期為我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組軸承的應(yīng)用研究和風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。

1 高速鐵路動(dòng)車組軸承概述

1.1 應(yīng)用工況

軸承是高速鐵路動(dòng)車組的核心部件，其性能和可靠性與動(dòng)車組的平穩(wěn)安全運(yùn)行密切相關(guān)。我國(guó)地域遼闊，自然條件差異較大：京廣高鐵正線運(yùn)行里程超過2 000 km，沿途縱貫6個(gè)省市，跨越溫帶、亞熱帶等多個(gè)氣候帶[3]；2017年1月5日正式運(yùn)行的G403/4，從北京西至昆明南全程運(yùn)行2 760 km，是目前中國(guó)鐵路運(yùn)行交路最長(zhǎng)的高速鐵路動(dòng)車組；哈大高速鐵路高寒線路全長(zhǎng)904 km，沿線城市1月份平均氣溫-3.9～-23.2 ℃，極端最低溫度-39.9 ℃[4]；海南環(huán)島高速鐵路正線全長(zhǎng)653 km，所處環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨、強(qiáng)腐蝕等特點(diǎn)[5]。高速鐵路動(dòng)車組長(zhǎng)交路運(yùn)行以及極端溫度、環(huán)境腐蝕、風(fēng)沙侵害等我國(guó)特有的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，使我國(guó)高鐵軸承的服役環(huán)境十分復(fù)雜。

1.2 高速鐵路動(dòng)車組軸承類型

高速鐵路動(dòng)車組軸承主要類型有軸箱軸承、牽引電動(dòng)機(jī)軸承和齒輪箱軸承[6]，其應(yīng)用部位如圖1所示。軸箱軸承是高速鐵路動(dòng)車組的A類部件，其可靠性直接影響動(dòng)車組的安全性和平穩(wěn)性[7]。軸箱軸承的主要作用是將車體重量和載荷傳遞給輪對(duì)，減小摩擦，降低運(yùn)行阻力；還要承受輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的沖擊振動(dòng)載荷和軸向載荷[8]。如CRH380A型動(dòng)車組，采用脂潤(rùn)滑的單套軸箱軸承承受的徑向載荷、軸向載荷分別約90，20 kN[2]。

圖1 動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架模型示意圖

1.3 軸箱軸承

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，我國(guó)在役高速鐵路動(dòng)車組數(shù)量為3 918標(biāo)準(zhǔn)組，共31 344輛。不同類型動(dòng)車組中所用的軸箱軸承數(shù)量約64～136套[9]。文獻(xiàn)[10]根據(jù)軸箱軸承的結(jié)構(gòu)尺寸、潤(rùn)滑、密封、壽命、可靠性、可維修性等技術(shù)指標(biāo)對(duì)現(xiàn)有軸箱軸承的性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)其選型給出了可行性建議。我國(guó)現(xiàn)有高速鐵路動(dòng)車組車型所用軸箱軸承的類型及品牌見表1[11]。

表1 動(dòng)車組軸箱軸承配置情況

軸箱軸承主要有圓錐滾子軸承(圖2a)和圓柱滾子軸承(圖2b)，目前大多采用脂潤(rùn)滑密封型雙列圓錐滾子軸承，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[12]。

(a)雙列圓錐滾子軸承 (b)雙列圓柱滾子軸承

1—后擋；2—后端密封；3—內(nèi)圈；4—外圈；5—中隔圈；6—保持架；7—滾子；8—前端密封。

2 高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承故障類型

對(duì)近年軸承故障情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各型動(dòng)車組上均發(fā)生過軸箱軸承失效：2011年7月至2017年5月，軸箱軸承共發(fā)生了335起故障[13]；2018年因軸箱軸承故障更換輪對(duì)80余臺(tái)[9]；截至2019年底，根據(jù)各鐵路局反饋的故障數(shù)據(jù)，總運(yùn)用軸承約220 000套，故障軸承約550套，故障率為0.25%，主要表現(xiàn)為部分軸承內(nèi)外圈滾道及滾子疲勞剝落，保持架故障、密封故障、油脂狀態(tài)異常、軸承高溫失效等[11]。

軸承早期失效可導(dǎo)致運(yùn)行異常及效率降低，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)將導(dǎo)致故障擴(kuò)大，從而引發(fā)安全事故[14]，深入分析軸承故障類型和失效機(jī)理對(duì)保障動(dòng)車組安全運(yùn)行具有重要意義。

2.1 軸箱軸承故障模式研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)軸箱軸承故障模式的研究較少，本文對(duì)主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行歸納：文獻(xiàn)[15]調(diào)研了軸箱軸承的故障實(shí)例(圖4)、運(yùn)行工況、結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上分析了軸箱軸承的故障特點(diǎn)，得出了疲勞剝落是其主要故障類型；文獻(xiàn)[16]針對(duì)雙列圓錐滾子軸承表面起源型疲勞剝落不同的故障形態(tài)建立故障模型，進(jìn)行了模態(tài)求解和仿真分析，了解不同剝落形式對(duì)雙列圓錐滾子軸承性能的影響；文獻(xiàn)[17]歸納了疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、開裂或斷裂等6種主要的軸箱軸承故障形態(tài)并進(jìn)行了定義描述，認(rèn)為大部分軸承損傷都與這6種故障形態(tài)及其子形態(tài)有關(guān)；文獻(xiàn)[18]介紹了CRH2型動(dòng)車組軸承的銹蝕、壓痕等表面損傷，分析了損傷產(chǎn)生原因并提出了處理方式：文獻(xiàn)[19]建立了軸箱軸承系統(tǒng)的可靠性模型并進(jìn)行了故障類型、影響及危害性分析(FMECA)和故障樹分析(FTA)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)減少軸承故障，保障列車安全具有重要意義。

(a)剝落 (b)麻點(diǎn)

另外，國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心在2013—2020年間所檢測(cè)50套軸箱軸承的故障類型如圖5所示，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5 軸箱軸承故障類型統(tǒng)計(jì)圖

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承的故障類型多為概念性描述，故障軸承數(shù)據(jù)樣本較少，缺乏對(duì)故障的深入研究。

2.2 主要故障類型

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果并依據(jù)GB/T 24611—2020《滾動(dòng)軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因》[20]對(duì)軸箱軸承的主要故障類型進(jìn)行歸納，主要包括滾動(dòng)接觸疲勞、銹蝕、開裂或斷裂、磨粒磨損、黏著磨損、保持架塑性變形：

1)滾動(dòng)接觸疲勞是軸箱軸承的高發(fā)故障類型，損傷大多集中在軸承滾道面，特別是外圈滾道剝落發(fā)生概率極大。高速、重載和振動(dòng)沖擊促成了接觸區(qū)域表層附近裂紋的產(chǎn)生，加速了軸承疲勞，最終導(dǎo)致剝落的形成[15]。

2)銹蝕在軸承表面損傷中占絕大部分[18]，其產(chǎn)生原因主要是水分、腐蝕性物質(zhì)(酸等)混入潤(rùn)滑劑或軸箱，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂變質(zhì)，造成軸承表面發(fā)生氧化或腐蝕，最終生成腐蝕麻點(diǎn)。

3)軸承套圈的開裂或斷裂是一種極為嚴(yán)重的失效形式，一般會(huì)伴隨出現(xiàn)軸承密封失效、油脂泄漏、保持架斷裂、軸承異常磨損破碎、卡死等，可能造成軸溫升高，減速甚至停車事故，通常由于軸承承載過大或裝配不當(dāng)引起。

4)動(dòng)車組運(yùn)行過程中，軸箱軸承呈現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，雖然其摩擦表面附有潤(rùn)滑劑，但仍然會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨粒磨損，磨損會(huì)進(jìn)一步降低潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能，從而破壞軸承的微觀結(jié)構(gòu)[17]。

5)軸承套圈膠合是一種非常嚴(yán)重的黏著磨損，與磨粒磨損的逐漸累積過程相反，在軸承潤(rùn)滑不當(dāng)或不充分的情況下很容易突然發(fā)生膠合故障[21]。

6)軸承保持架塑性變形會(huì)使保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)變得雜亂，滾動(dòng)體與套圈之間的接觸應(yīng)力隨之增大，會(huì)加劇滾動(dòng)體與套圈的磨損和軸承溫升，影響軸箱軸承的使用壽命。

3 高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承故障原因

當(dāng)軸承正確安裝且按規(guī)定維護(hù)時(shí)，疲勞失效將是其主要的失效原因，但實(shí)際使用中有大量軸承出現(xiàn)過早失效現(xiàn)象，針對(duì)可能導(dǎo)致軸承失效的因素及其故障產(chǎn)生機(jī)理，文獻(xiàn)[22]分析了滾動(dòng)軸承磨損、疲勞剝落、膠合等典型故障的產(chǎn)生機(jī)理，文獻(xiàn)[23]對(duì)滾動(dòng)軸承的常見損傷現(xiàn)象、產(chǎn)生原因及結(jié)果進(jìn)行了分析。下面針對(duì)引起軸箱軸承故障的主要因素：軸承鋼及其熱處理、潤(rùn)滑脂、密封、滾子凸形、保持架以及因故障產(chǎn)生的振動(dòng)、溫升等方面相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)。

3.1 軸承鋼及其熱處理

國(guó)內(nèi)外軸箱軸承零件所用軸承鋼材料及其熱處理工藝見表2。

表2 軸箱軸承零件材料及熱處理工藝

文獻(xiàn)[24]對(duì)國(guó)外軸箱軸承套圈及滾子所用軸承鋼的化學(xué)成分、非金屬夾雜物、金相組織、硬度等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，并與國(guó)產(chǎn)軸箱軸承進(jìn)行了分析對(duì)比，進(jìn)一步明確了國(guó)內(nèi)高鐵軸箱軸承零件所用軸承鋼的研發(fā)方向和加工工藝。

文獻(xiàn)[25]確定了非金屬夾雜物對(duì)軸箱軸承接觸疲勞壽命影響的定量關(guān)系，為高速鐵路軸承用鋼的冶煉工藝提供了科學(xué)依據(jù)。

文獻(xiàn)[26]針對(duì)白色蝕刻裂紋(White Etching Crack，WEC)損傷造成的軸承剝落失效，在實(shí)驗(yàn)室水平上模擬軸承鋼白色蝕刻區(qū)域(White Etching Area，WEA)的形成過程，利用這種新方法對(duì)次表面顯微組織變化進(jìn)行研究，為分析滾動(dòng)軸承過早失效后白色蝕刻區(qū)域的形成順序提供了新的思路。

3.2 潤(rùn)滑脂

文獻(xiàn)[27]針對(duì)軸承異常溫升問題，研究了潤(rùn)滑脂的類型、填充量及分布對(duì)軸承溫度的影響，結(jié)果表明：軸箱軸承應(yīng)選用低黏度的潤(rùn)滑脂并關(guān)注軸承密封性，潤(rùn)滑脂填充量占自由空間的比例為19%～21%時(shí)可保證軸承充分潤(rùn)滑，降低軸承全壽命周期成本，軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂的分布狀態(tài)會(huì)影響軸箱軸承的溫度狀態(tài)，應(yīng)予以重視。

文獻(xiàn)[28]研究了最大承載滾子接觸應(yīng)力分布，建立了軸箱軸承有限元接觸模型，文獻(xiàn)[29]分析了滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈之間的接觸載荷分布情況，建立了軸箱軸承脂潤(rùn)滑彈流模型，結(jié)果表明：在給定運(yùn)行工況條件下，增大運(yùn)行速度會(huì)使軸承滾道潤(rùn)滑接觸形成的油膜壓力減小，油膜增大；而當(dāng)軸承載荷增大時(shí)，其油膜厚度減小，油膜壓力增大，會(huì)影響軸箱軸承潤(rùn)滑性能的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[30]針對(duì)部分軸箱軸承運(yùn)行后溫度偏高和潤(rùn)滑脂變黑劣化的現(xiàn)象，對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行了檢測(cè)對(duì)比，結(jié)果表明：摻雜探傷耦合劑和防銹劑后潤(rùn)滑脂的錐入度和鋼網(wǎng)分油率增大，基礎(chǔ)油析出更多，是導(dǎo)致其潤(rùn)滑性能下降的主要原因。文獻(xiàn)[31]則研究探傷耦合劑對(duì)潤(rùn)滑脂性能的影響，結(jié)果表明10%(25 g)的探傷液混入并不會(huì)對(duì)潤(rùn)滑性能有明顯影響，但會(huì)有少量油品漏出。

文獻(xiàn)[32]開展了軸箱軸承潤(rùn)滑脂性能試驗(yàn)研究，指出復(fù)合納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑性能的改善是其類球軸承潤(rùn)滑機(jī)理、薄膜潤(rùn)滑機(jī)理和自修復(fù)潤(rùn)滑機(jī)理的協(xié)同作用，并成功制備了潤(rùn)滑性能滿足EN12081標(biāo)準(zhǔn)的A1501潤(rùn)滑脂。

3.3 密封

文獻(xiàn)[33]介紹了一種軸箱軸承輕接觸式迷宮密封結(jié)構(gòu)，從密封罩及與其對(duì)應(yīng)的外圈牙口、后擋圈的制造精度，密封的壓裝方式等方面分析了密封失效的因素，提出了對(duì)壓裝工藝過程的精細(xì)化控制措施，以保證軸箱軸承在高速運(yùn)行中密封的可靠性。

3.4 滾子凸形

列車運(yùn)行過程中，雙列圓錐滾子軸承的滾子與滾道的接觸區(qū)域會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的變形情況和應(yīng)力集中現(xiàn)象。文獻(xiàn)[34]針對(duì)目前實(shí)際應(yīng)用于軸箱軸承的4種主要滾子，分析不同凸形滾子沿其素線方向的應(yīng)力與載荷分布并求解出極限載荷狀態(tài)下的最佳凸度值，避免或降低了滾子應(yīng)力集中以及滾子與滾道的接觸作用力，并有效減小了軸承的振動(dòng)和摩擦，為軸箱軸承滾子凸形設(shè)計(jì)提供了參考。

3.5 保持架

文獻(xiàn)[35]針對(duì)某動(dòng)車組軸箱軸承易發(fā)生溫升預(yù)警的問題，分析了軸承溫度和保持架磨損的相互影響關(guān)系，認(rèn)為軸承溫升使保持架膨脹，造成保持架與外圈擋邊發(fā)生全接觸，導(dǎo)致保持架產(chǎn)生異常磨損；建議在保證軸承使用性能的前提下適當(dāng)增大保持架的引導(dǎo)間隙，以減少保持架磨損。

文獻(xiàn)[36]在車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上研究軸箱軸承的振動(dòng)及載荷特征，結(jié)果表明輪軌激擾加劇了軸箱軸承振動(dòng)，使?jié)L子與滾道在非承載區(qū)發(fā)生碰撞，非承載區(qū)的最大碰撞力可達(dá)到承載區(qū)最大碰撞力的一半左右，輪軌激擾還會(huì)使?jié)L子與保持架間的碰撞力增大，加劇保持架打滑。

3.6 振動(dòng)

文獻(xiàn)[37]分析了軸箱軸承在不同故障程度和速度下的振動(dòng)特性，討論了故障演變過程中車輛動(dòng)力學(xué)性能和振動(dòng)特性的變化，研究工作對(duì)車輛狀態(tài)跟蹤和監(jiān)控具有一定的參考價(jià)值。

文獻(xiàn)[38]建立了軸承損傷-振動(dòng)耦合作用下的性能退化模型，并提出了針對(duì)該耦合模型的迭代求解方法。以6209深溝球軸承因壓裝不當(dāng)引起的內(nèi)圈內(nèi)表面裂紋為研究對(duì)象，根據(jù)軸承振動(dòng)力學(xué)模型建立軸承內(nèi)圈性能退化模型，并通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：1)過盈配合會(huì)對(duì)軸承的載荷分布產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為承載區(qū)域的改變；2)內(nèi)圈內(nèi)表面的裂紋會(huì)對(duì)軸承的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響，且在裂紋萌生初期中和過盈配合對(duì)軸承的影響；3)考慮損傷-振動(dòng)耦合作用下的性能退化模型可以有效區(qū)分性能退化的不同階段，剩余壽命的預(yù)測(cè)相對(duì)于無耦合模型更準(zhǔn)確。

文獻(xiàn)[39]詳細(xì)研究了車輛與軌道耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)對(duì)軸箱軸承動(dòng)態(tài)相互作用的影響，結(jié)果表明：隨著車輛行駛速度的增加，軌道不平順引起的輪軌激勵(lì)對(duì)軸箱軸承的振動(dòng)有顯著影響；在低速范圍內(nèi)，齒輪嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)通常會(huì)影響軸箱的振動(dòng)和軸箱軸承的接觸力。因此，在評(píng)估軸箱軸承動(dòng)態(tài)特性時(shí)，有必要考慮齒輪嚙合和軌道不平順的影響。

文獻(xiàn)[40]提出了一種基于相關(guān)性分析的獨(dú)立導(dǎo)向變分模態(tài)分解方法，用于自適應(yīng)提取實(shí)際信號(hào)非平穩(wěn)性和強(qiáng)背景噪聲下輪對(duì)軸箱軸承的弱復(fù)合故障特征，對(duì)動(dòng)車組軸箱軸承振動(dòng)信號(hào)的故障提取具有一定的借鑒意義。

文獻(xiàn)[41]根據(jù)內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體等故障類型表現(xiàn)出不同的故障特征產(chǎn)生的振動(dòng)頻率進(jìn)行了研究分析，為動(dòng)車組軸承的故障診斷及檢測(cè)提供了理論依據(jù)。

文獻(xiàn)[42]通過分析振動(dòng)信號(hào)特征和查找故障特征規(guī)律，確定了軸箱軸承故障缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)并建立了較完整的軸箱軸承振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)和自動(dòng)診斷系統(tǒng)，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能顯著提高軸箱軸承的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。

3.7 溫升

文獻(xiàn)[43]以某型高速動(dòng)車組為例，建立了車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型及雙列圓錐滾子動(dòng)力學(xué)模型，基于摩擦生熱理論計(jì)算了軸承內(nèi)各接觸部位的摩擦功耗，結(jié)果表明：軸箱內(nèi)部溫度最高部位為滾動(dòng)體與內(nèi)圈擋邊接觸區(qū)；車輪多邊形化對(duì)軸箱軸承溫升幾乎無影響，外圈故障會(huì)使軸承溫度顯著升高，而內(nèi)圈故障對(duì)軸承溫升的影響則相對(duì)較小。

文獻(xiàn)[44]建立了車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了軸箱軸承運(yùn)行過程中振動(dòng)與溫度的關(guān)系，根據(jù)動(dòng)態(tài)特性對(duì)軸承溫度特性進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)行了長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)溫度試驗(yàn)，結(jié)果表明：運(yùn)行速度300 km/h時(shí)的軸箱溫度高于200 km/h時(shí)的軸箱溫度；時(shí)速一定的工況下，軸箱溫度隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，最終趨于穩(wěn)定；動(dòng)車軸箱軸承的溫度普遍高于拖車軸箱軸承。

文獻(xiàn)[45]針對(duì)檢修維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的軸箱軸承溫升故障問題，采用系統(tǒng)的故障分析方法探究了軸承溫升原因(圖6)，分析認(rèn)為CRH3系列動(dòng)車組軸箱軸承溫升達(dá)100 ℃以上的情況為非故障性溫升，是軸承潤(rùn)滑脂黏度不合適、長(zhǎng)大交路持續(xù)運(yùn)行、外界環(huán)境溫度過高等輔助因素綜合作用的結(jié)果；若軸承無損傷，溫度低于120 ℃，則可繼續(xù)使用。并提出了優(yōu)化軸承溫度監(jiān)控措施、更改潤(rùn)滑脂、優(yōu)化運(yùn)行交路、優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)等4條緩解軸承溫升的建議，有效控制了軸承溫升的故障率。

圖6 軸承溫升原因魚刺圖

文獻(xiàn)[46]對(duì)某軸箱軸承進(jìn)行溫度場(chǎng)建模仿真分析，得出基于動(dòng)力學(xué)的圓柱滾子軸承溫度場(chǎng)宏觀分布情況：最高溫出現(xiàn)在軸承內(nèi)滾道處，且受力最大的滾子溫度最高，為分析判斷溫度對(duì)圓柱滾子軸承的影響提供了幫助。

文獻(xiàn)[47]將局部加熱法與彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論相結(jié)合，分別建立了軸承滾道和擋邊的發(fā)熱模型，研究了軸承在多工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的發(fā)熱特性，結(jié)果表明內(nèi)圈最高溫度位于擋邊處，擋邊將是軸箱軸承溫升失效的關(guān)鍵部位，優(yōu)化擋邊參數(shù)將是控制局部溫升和保證軸承運(yùn)行可靠性的有效途徑。

文獻(xiàn)[48]以350 km/h高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承為研究對(duì)象，結(jié)合敏感度分析方法，定量分析并對(duì)比了載荷、速度對(duì)軸箱軸承溫升的影響程度，結(jié)果表明：載荷增大和速度提高均會(huì)引起軸箱軸承溫升的增大，且越來越劇烈；高載荷水平下，速度的提高引起的軸箱軸承溫升的增長(zhǎng)率更大，即速度的提高對(duì)軸箱軸承溫升的影響更明顯。

文獻(xiàn)[49]對(duì)軸承運(yùn)行原理和故障軸承數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸承勻脂的溫升規(guī)律與運(yùn)行時(shí)間及里程有關(guān)，并對(duì)現(xiàn)有動(dòng)車組試運(yùn)行方案進(jìn)行了優(yōu)化，有效避免了輪對(duì)軸承在運(yùn)行載客初期因勻脂不均產(chǎn)生溫度過高或溫差超限的故障。

文獻(xiàn)[50]研究了動(dòng)車組實(shí)時(shí)軸承溫度與室外溫度、速度、輪對(duì)里程、軸承位置等特征參數(shù)之間的關(guān)系，分析軸溫過高的原因，并基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立軸箱軸承溫度預(yù)測(cè)模型以及故障預(yù)警系統(tǒng)。

3.8 小結(jié)

1)軸承鋼及其熱處理技術(shù)直接影響軸承疲勞壽命，在應(yīng)用工況無法改變的情況下，采用更高等級(jí)的軸承鋼并結(jié)合合理的熱處理工藝，從而保證套圈及滾子的硬度和硬度梯度，可以減小軸承發(fā)生剝落的概率，有效抑制軸承早期失效。

2)軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂的填充量及分布狀態(tài)會(huì)影響軸箱軸承的溫度狀態(tài)，是影響軸承壽命的重要因素。

3)目前國(guó)內(nèi)軸箱軸承密封結(jié)構(gòu)可達(dá)到與國(guó)外性能相當(dāng)或更優(yōu)的效果，關(guān)鍵在于產(chǎn)品一致性的控制，需要嚴(yán)格控制密封罩、外圈牙口的制造精度以及密封罩的壓裝過程，從而保證軸箱軸承的密封性能。

4)理論上，采用對(duì)數(shù)形滾子可最大限度地減小滾子兩端的邊緣應(yīng)力集中，利用貫穿式超精加工方法連續(xù)加工對(duì)數(shù)形滾子的關(guān)鍵技術(shù)是導(dǎo)輥形面的控制。

5)保持架主要由于沖擊、高溫等因素導(dǎo)致性能失效，其本身不是導(dǎo)致軸箱軸承故障的主要因素。

6)軸承套圈和滾子出現(xiàn)損傷會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，理論上可以通過軸承振動(dòng)或噪聲信號(hào)分析監(jiān)控識(shí)別軸承故障，但在高速動(dòng)車組實(shí)際的強(qiáng)噪聲運(yùn)行工況下，提取異常軸承振動(dòng)或噪聲信號(hào)十分困難。

7)溫度的變化是反映軸箱軸承故障的重要特征，高速、過載、潤(rùn)滑不良、安裝不當(dāng)?shù)纫蛩鼐鶗?huì)導(dǎo)致溫升，溫升過高則會(huì)引發(fā)其他故障，使軸承短時(shí)間內(nèi)失效。目前，通過溫升判斷軸承狀態(tài)是主要的故障識(shí)別方式。

4 軸箱軸承故障風(fēng)險(xiǎn)防范措施

基于軸箱軸承全生命周期，從設(shè)計(jì)、制造、使用階段提出以下幾點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)的防范措施。

4.1 設(shè)計(jì)階段

建立和完善工況數(shù)據(jù)庫(kù)、軸承失效數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)專業(yè)的軸承設(shè)計(jì)分析軟件，對(duì)軸箱軸承的主參數(shù)、游隙、潤(rùn)滑脂填充量以及動(dòng)態(tài)性能等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬仿真分析，完成軸箱軸承的正向設(shè)計(jì)、性能和可靠性分析。

4.2 制造階段

在軸承鋼質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性方面，還需要持續(xù)進(jìn)行以下改進(jìn)：1)進(jìn)一步提高材料質(zhì)量，采用先進(jìn)冶煉工藝及檢測(cè)手段，在降低夾雜物總量的同時(shí)改善夾雜物的類型及分布，避免Ds類特別有害的大尺寸夾雜物出現(xiàn)，嚴(yán)格控制Ti等有害殘余元素；2)提高材料的一致性、均勻性及穩(wěn)定性，保證整批材料碳及合金元素均勻性，控制單批材料及多批材料的成分波動(dòng)范圍，提高成分的穩(wěn)定性及一致性，從而保證同一零件及不同零件之間的性能均勻性一致，并制定軸箱軸承專用材料標(biāo)準(zhǔn)；3)開發(fā)新鋼種，根據(jù)軸箱軸承的服役條件及性能要求調(diào)整合金成分，開發(fā)更適合的鋼種，如貝氏體熱處理專用鋼等。

在熱處理技術(shù)方面：1)優(yōu)化熱處理工藝；2)開展新的熱處理及表面處理技術(shù)的研究及應(yīng)用；3)加強(qiáng)工藝、質(zhì)量管控；4)開發(fā)先進(jìn)的熱處理工藝設(shè)備。

在精密制造方面：1)系統(tǒng)考慮人員、設(shè)備、材料、工藝、環(huán)境等對(duì)軸承質(zhì)量的影響因素，制訂制造過程中人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)各要素的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用自動(dòng)化專用設(shè)備，盡量減少人為因素的影響；2)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制理論方法進(jìn)行過程控制，消除系統(tǒng)性誤差，確保軸承產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；3)攻克I級(jí)圓錐滾子的穩(wěn)定批量制造技術(shù)和設(shè)備。

4.3 使用階段

發(fā)展振動(dòng)、噪聲、溫度等多參數(shù)、多場(chǎng)域、多傳感器、多類信號(hào)處理與判別、運(yùn)行故障數(shù)據(jù)庫(kù)及自供電技術(shù)，以及軸承實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷預(yù)警系統(tǒng)，保障列車運(yùn)行安全，減少故障監(jiān)控系統(tǒng)的誤報(bào)現(xiàn)象，并規(guī)范運(yùn)維制度，保障軸承檢修質(zhì)量。

5 總結(jié)與展望

本文闡述了高鐵軸承應(yīng)用工況特點(diǎn)及其軸承類型，詳細(xì)介紹了軸箱軸承在我國(guó)高鐵上的應(yīng)用情況及其結(jié)構(gòu)，根據(jù)軸箱軸承故障研究現(xiàn)狀將其故障類型歸納為滾動(dòng)接觸疲勞、銹蝕、開裂或斷裂、磨粒磨損、黏著磨損、保持架塑性變形等6種；分析了軸承鋼及其熱處理、潤(rùn)滑脂、密封、保持架等軸箱軸承故障的影響因素以及造成振動(dòng)、溫升的原因，并基于軸箱軸承全生命周期，對(duì)設(shè)計(jì)、制造、使用階段提出了故障風(fēng)險(xiǎn)的防范措施建議。

通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)高速鐵路動(dòng)車組軸箱軸承已具備較好的研制基礎(chǔ)，但由于缺乏裝車運(yùn)行，在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)維等方面與國(guó)外軸承仍存在一定差距：因此，亟需開展系統(tǒng)研究，補(bǔ)齊軸箱軸承設(shè)計(jì)、材料熱處理、精密制造、潤(rùn)滑、密封、試驗(yàn)及運(yùn)維方面的短板，完善我國(guó)軸箱軸承技術(shù)體系，確保軸承質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)軸箱軸承的裝車運(yùn)行。