EN 12082標準的更新及標準執(zhí)行問題研究

趙 雷，劉青山，張世強，范新光，魏文波，姜 英

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

滾動軸承是機械中的基礎元件，對產(chǎn)品性能、精度、壽命和可靠性有重要影響；軸承質量主要指原材料及熱處理質量、軸承零部件及成品精度、軸承性能、壽命和可靠性等[1]。一般情況下，通過軸承壽命可靠性試驗對軸承的綜合質量進行評估，但由于軌道交通行業(yè)所裝用的滾動軸承尺寸較大、運用環(huán)境復雜，若用此方法試驗存在試驗周期長和樣品數(shù)量多的問題，因而鐵路軸承常采用軸承性能試驗方法來反映軸承結構是否合理、零部件質量是否可靠。

EN 12082《鐵路應用 軸箱 性能試驗》標準是為了提高軌道交通行業(yè)中軸承的應用可靠性、使用壽命和安全性而制定的標準化性能試驗方法。隨著軌道交通的發(fā)展，EN 12082標準也不斷地修訂，及時跟蹤標準內容變化，有助于更好地解讀、理解試驗方法，以便做好軸承的改進。本文從試驗范圍、試驗參數(shù)、試驗過程、試驗結果判定和試驗替代方面對標準內容變化進行了分析，探討標準在執(zhí)行過程中存在的一些問題，為標準的使用者提供參考依據(jù)。

1 標準內容變化

EN 12082：2017[2]是在EN 12082：2007+A1：2010版本基礎上進行了修訂，于2017年6月19日獲批，2018年2月實施。2019年2月，歐洲標準化委員會又對該標準進行了部分條款的修訂。該標準分為臺架試驗和線路試驗，與EN 12080和EN 12081標準形成的標準體系涵蓋了軸承、密封、潤滑脂和軸箱的性能驗證。

1.1 試驗范圍

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，各種特殊車輛越來越普遍。在外置軸承車輛適用的情況下，明確了新版本標準也適用于內置軸承、獨立輪對軸承等其他配置軸承的車輛。同時，新版本標準增加了干線或其他鐵路網(wǎng)絡系統(tǒng)運行車輛的試驗參數(shù)、性能要求以及示例說明。

1.2 試驗參數(shù)

1.2.1 軸承游隙

軸承游隙主要影響軸承使用壽命，若游隙過大，則單個滾動體所受載荷增大，軸承旋轉精度降低，壽命縮短；若軸承游隙過小，則軸承摩擦力增大，磨損加劇，溫度升高，壽命也縮短[3]。因此，軸承游隙對試驗軸承的性能有重要的影響。

針對試驗軸承游隙，新版本標準修改了軸承壓裝后游隙的要求，即先根據(jù)軸承自由游隙、軸頸尺寸、軸承內徑尺寸、內外滾道接觸角度和內外滾道的平均直徑計算軸承理論壓裝游隙，再實測軸承壓裝游隙，以保證2套軸承壓裝游隙的差最大。這種安裝方式相對于舊版本標準中“一套盡可能靠近最大游隙，另一套盡可能靠近最小游隙”的要求，更接近于實際，并且更容易操作。

1.2.2 試驗速度

軸承轉速主要受軸承內部摩擦發(fā)熱引起的溫升的限制。為了考查軸承性能，試驗采用車輛最高運營速度的1.1倍進行試驗。在計算試驗臺轉速時，新版本標準將車輪直徑參數(shù)由磨耗輪直徑修改為半磨耗輪直徑，試驗速度相對降低，對軸承臺架試驗結果也存在一定影響。

1.2.3 車輛質量

試驗徑向力和軸向力計算公式涉及到的車輛質量和輪對質量，新版本標準明確車輛質量為EN 15663：2017《鐵路應用設施 車輛基準質量定義》[4]標準中規(guī)定的設計質量；輪對質量包含輪對和兩車輪滾動圓之間的附加質量，如制動盤質量、齒輪質量等。相對于舊版本標準“由供應商和使用者協(xié)商確定”的要求，軸承臺架試驗載荷的計算更加明確。

1.2.4 試驗循環(huán)

新版本標準對循環(huán)周期重新作了規(guī)定，即車輛速度>200 km/h時，客車試驗循環(huán)為4 h；車輛速度≤200 km/h時，客車試驗循環(huán)為4 h、城軌車輛試驗循環(huán)為2 h、貨車試驗循環(huán)為8 h。每個循環(huán)分為正反2個基本行程，每個基本行程時間見表1所示。

表1 每個基本行程時間

從表1來看，速度≤200 km/h的客車軸承縮短了基本行程時間，由原來的220 min(EN 12082：2007 表A.1中規(guī)定)改為100 min；客車軸承軸向力為0時的保持時間由原0～5 s(EN 12082：2007 表A.1中規(guī)定)改為0～10 s，其具體值將根據(jù)運用線路雙方協(xié)商，這點與車輛運行實際情況更相符。

1.2.5 試驗溫度

軸承試驗時，應測量軸承承載區(qū)和目標區(qū)的溫度，并以相對于20 ℃的環(huán)境溫度來表示其測量有效溫度。新版本標準考慮了溫度傳遞過程中的對流損耗，將測量有效溫度Tz20的表達式由公式(1)變?yōu)楣?2)。

Tz20=Tzm-(Ta-20)

(1)

Tz20=Tzm-0.6×(Ta-20)

(2)

式中：Tzm——測量溫度；

Ta——環(huán)境溫度。

新版本標準同時增加了試驗環(huán)境溫度要求，即試驗環(huán)境溫度應在10～40 ℃。

針對此要求，目前國內軸承試驗室的環(huán)境溫度基本可以控制在(20±5) ℃，完全滿足標準要求；相對于舊標準，修改后的有效溫度變化僅為-2～2 ℃，這對溫度判定影響很小。

1.2.6 試驗里程

新版本標準細分了車輛速度與試驗里程的關系，具體為：車輛速度≤100 km/h時，試驗里程為40萬km；100 km/h<車輛速度≤200 km/h時，試驗里程為60萬km；車輛速度>200 km/h時，試驗里程為80萬km。同時規(guī)定如果車輛涵蓋不同的速度線路，需按最高速度對應試驗里程進行試驗。此要求使軸承試驗既能滿足低速貨車和城軌車輛的使用要求，又能縮短試驗周期，提高效率，更能體現(xiàn)出試驗要求的遞進與嚴格。

1.3 試驗過程

1.3.1 預試驗

預試驗是正式試驗前的試驗，目的是觀察軸承的結構匹配性、軸承磨合期的熱性能和油脂的重新分配。新版本標準修改了預試驗要求，不再強制預試驗形式；預試驗既可以雙方協(xié)商確定，也可以按給出的實例進行。在實例中明確指出預試驗為4個循環(huán)周期，試驗臺的速度為試驗速度的25%、50%、75%和100%，軸向力為名義軸向力的25%、50%、75%和100%，徑向力一直作用；每個循環(huán)周期由2個基本行程組成，一個正轉一個反轉。

對于預試驗結束的判斷，新版本標準將舊版本中“每個基本行程至少2 h內溫度變化范圍不超過5 ℃”的要求修改為“100%試驗速度下基本行程至少2 h內溫度變化范圍不超過5 ℃”，其他試驗速度的跑合時間不再強制規(guī)定。同時規(guī)定預試驗里程或累積時間不能超過3萬km或250 h(以先到為準)。

1.3.2 正式試驗

新版本標準增加了另一種試驗方法，即試驗里程分為兩部分：車輛速度>200 km/h時，試驗里程的70%按最高速度執(zhí)行，30%按其他速度執(zhí)行；100 km/h<車輛速度≤200 km/h時，試驗里程的50%按最高速度執(zhí)行，50%按其他速度執(zhí)行；城軌車輛試驗里程的75%按最高速度執(zhí)行，25%按其他速度執(zhí)行。這種試驗方法涉及到載荷、速度等參數(shù)，需與客戶協(xié)商確定。

新版本標準增加了試驗中斷的要求，即試驗中斷時間不大于1 h時，未完成的基本行程或循環(huán)周期只累積試驗產(chǎn)生的距離、不判定溫度；試驗中斷時間大于1 h時，未完成的基本行程或循環(huán)周期以及恢復試驗后的前2個基本行程，只累積試驗產(chǎn)生的距離、不判定溫度；試驗中斷次數(shù)不能超過總基本行程數(shù)的3%+5。由此可見，新版本標準對試驗設備性能提出了更高的要求。

1.4 試驗結果判定

在試驗溫度判定方面，新版本標準修改了兩軸承承載區(qū)同一時刻測量有效溫度的最大溫差、兩軸承目標區(qū)同一時刻測量有效溫度的最大溫差、軸承正反轉測量有效溫度最大溫差的判定標準，即將“允許總基本行程數(shù)2%的溫度可超出，并在一定范圍內”的規(guī)定，修改為“允許總基本行程數(shù)2%的溫度可超出，無上限要求”。

在試驗后軸承外觀判定方面，新版本標準允許無觸感或接觸探針探測不到的缺陷和輕研磨掉的污漬存在；若無其他外觀問題，允許由潤滑脂中雜質造成的輕微凹陷和劃傷；在潤滑脂中鐵或銅含量滿足要求的條件下，允許金屬保持架的變形和磨損，降低了試驗后金屬保持架的外觀要求?？傊庥^規(guī)定更加明確，執(zhí)行起來有據(jù)可依。

在試驗后潤滑脂成分檢測方面，新版本標準增加了潤滑脂中鐵或銅含量測定方法的規(guī)定，取消了潤滑脂錐入度、滴點和抗氧化性的指標要求；滴點增加了IP 396：2017[5]和NF T 60-627：2006[6]中的檢測方法，水含量檢測方法由原來的ISO 3733：1999[7]修改為DIN 51777-2：1974[8]和NF T 60-637：2017中的檢測方法。

1.5 試驗替代

為了提高軸承研發(fā)的效率，減少不必要的試驗，新版本標準增加了已有試驗結果可以替代的條款，即在相同用途或更差條件下進行的試驗結果、經(jīng)運用證實的成熟設計結構都可采納，可不再重新進行試驗。如果已有的試驗結果只有臺架性能試驗，則還需進行線路試驗。

已有試驗結果可以替代軸承研發(fā)試驗的條件如下：

(1) 兩軸承的內徑或外徑尺寸差別小于10%、軸承注脂量差別小于20%、最高運行速度相同；使用環(huán)境溫度的最大值或最小值差別小于20 ℃、軸承接口公差和配合量相同、軸承游隙相同。

(2) 兩軸承速度相同或研制軸承速度低于已試驗軸承速度。

(3) 裝軸承的軸箱相似。軸箱結構型式相同；一系減振彈簧加載位置相近；軸箱材料或材料屬性(彈性模量和熱傳導系數(shù))相同；在不裝配軸承的負載條件下，軸箱橢圓度變化小于10%，同時滿足以上條件時即可認為兩軸箱相似。結構型式相同的軸箱如圖1和圖2所示。

圖1 結構型式相同的轉臂軸箱

圖2 結構型式相同的兩翼軸箱

軸箱橢圓度由軸箱有限元計算結果求出，其計算公式在新版本標準中，由公式(3)變?yōu)楣?4)，此次改變更符合橢圓度的定義。

(3)

0.9×(Dmax_r-Dmin_r)≤Dmax_n-Dmin_n
≤1.1×(Dmax_r-Dmin_r)

(4)

式中：Dmax_r、Dmin_r——現(xiàn)車所用軸箱在負載下軸箱孔最大直徑、最小直徑；

Dmax_n、Dmin_n——新研制軸承試驗所用軸箱在負載下軸箱孔最大直徑、最小直徑。

1.6 其他試驗

新版本標準明確了軸箱防水試驗方法，動態(tài)試驗不再引用UIC 515-5：1994《機車車輛轉向架走行部軸箱試驗》標準中的方法。防水試驗規(guī)定：試驗速度為1.1倍車輛速度的0、10%、50%和100%，共4個試驗速度等級，每個試驗速度等級以3 L/min水量持續(xù)噴淋1 h；試驗過程中，不施加軸向力和徑向力；軸承最多允許加入10 g的脂或油。

新版本標準明確線路試驗考核應是年運行距離的2倍或檢修時間的2倍；對于運行速度大于200 km/h的車輛，考核運行距離至少為100萬km；裝車方案應考慮動力輪對、非動力輪對及其分布，標準推薦使用20條輪對。

2 標準執(zhí)行問題

2.1 模擬軸箱

如果試驗不采用實際軸箱，則使用有限元方法對相同載荷下模擬軸箱和實際軸箱的橢圓度進行比較。但新版本標準沒有規(guī)定有限元計算的載荷大小和約束位置，存在執(zhí)行問題。

經(jīng)對軸箱變形和載荷傳遞路徑分析，建議有限元計算載荷應不低于試驗載荷值；約束位置應選取軸箱與軸承接觸傳遞載荷區(qū)域，即圖3中的120°圓弧區(qū)域。

圖3 有限元模型實例

2.2 軸承游隙

軸承安裝游隙受到軸承自由游隙、軸承內圈與試驗臺主軸軸頸配合過盈量的影響，且安裝后游隙小于自由游隙[9]。為得到更好的軸承試驗效果，2套試驗軸承的壓裝游隙差越大越好，對于此目標，雖然新版本標準的規(guī)定更貼近于實際操作，但沒有明確實施步驟。

根據(jù)軸承安裝要求，結合以往的軸承壓裝經(jīng)驗，建議先對試驗臺主軸的軸頸尺寸進行測量，再利用軸承的相關結構尺寸計算出理論壓裝游隙，來保證兩端的壓裝游隙差最大，最后進行實測驗證。

2.3 大橫動量軸承

為了提高2軸以上轉向架曲線通過性能，中間軸常采用大橫動量軸承[10]。雖然EN 12082新版本標準明確表示適用于所有的鐵路車輛軸承，但從試驗效果上看，大橫動量軸承試驗過程中出現(xiàn)了潤滑脂在剪切力作用下，結構破壞，潤滑脂軟化、稠度下降和析油量增加等問題，導致潤滑脂失效，最終無法正常完成試驗。針對此類試驗，應結合車輛線路運行情況，與客戶協(xié)商確定軸向力作用時間。

2.4 試驗里程

隨著鐵路高質量持續(xù)健康發(fā)展和提質降本增效的要求，國內已開始了軸承修程修制的優(yōu)化研究，提出了軸箱軸承檢修里程延長到145萬km、甚至165萬km的目標要求。針對此要求，EN 12082新版本標準規(guī)定的試驗里程遠遠滯后，影響了軸承性能試驗驗證的實際效果。

建議國內高速軸承在研究過程中采用與檢修掛鉤的里程進行試驗，為后續(xù)的裝車運行提供保障。

3 結論

軸承臺架性能試驗是驗證軸承質量的重要試驗方法，只有嚴格執(zhí)行標準，才能驗證軸承性能，才能為線路裝車做好保障。本文針對重要試驗標準之一的EN 12082標準，進行了新舊2個標準的比較分析。總體來講，新版本標準更接近實際運用，可操作性更強。此外，對執(zhí)行過程中出現(xiàn)的有限元分析、軸承游隙和大橫動量軸承試驗問題進行了分析，并基于試驗經(jīng)驗提出了解決建議，可為同行提供參考和借鑒，以便更好地執(zhí)行標準。