轴承作用和使用方法.doc

组合绝缘轴承采用陶瓷材料做成滚动体或内外圈，因涉及到陶瓷制备和加工，技术难度更大，但绝缘和高速性能优异。由于担心陶瓷脆性破坏造成严重后果，组合绝缘轴承在高速列车中较少使用，目前，国内组合绝缘轴承还处在试制和研究阶段6。图3是BARDEN公司的陶瓷滚动体轴承产品。2.3 结构设计1） 滚子形状设计在轴承形状方面，ICE列车轮对上所使用的. FAG公司的圆柱滚子轴承，它的运行工作温度比传统的圆锥滚子轴承低了20K。这对油脂的使用寿命以及由此带来的较长的维修保养间隔期都具有显著影响9.我国铁路货车滚动轴承的使用历程也从侧面反映了滚子形状的发展1。2）保持架结构 保持架是为了使滚动体的旋转运动保持良好精度的轴承部件，其自身的旋转导向有沿着外环内径进行导向（外环导向）和通过滚动体滚动面进行导向（滚动体导向）之分。采用滚动体导向方式，由于其通过与滚动面的滑动接触可以更容易的确保油份，因而即使在润滑条件恶化时也有利于防止润滑脂老化。再加上保持架制造技术的进步和成本下降等效果，使最近生产的牵引电机轴承得以使用滚动体导向的保持架2。 采用滚子（滚动体）导向式的圆柱滚子轴承保持架，与原来外圈导向式的相比，可使因高速旋转而引起的轴承温升降低，并使铜磨耗粉减少，同时还会改善润滑脂基油向外圈滚道面的流入性。 为获得更佳的润滑效果，减轻重量和提高耐冲击疲劳性能，NTN采用先进的FEM设计方法和保持架运动动态分析开发出了塑料保持架（图4），其寿命是普通材料的3倍以上。 铣削成形的螺旋式轴承保持架，对轴承技术的进步做出了较大贡献。如FAG的圆柱滚子轴承，其保持架用聚酰胺材料，配合层状环形形式密封以及加入极压添加剂的特种锂皂润滑脂，其使用寿命约为300万km9。3）密封结构 新的润滑脂和新的密封技术完善了轴承作为一个系统的技术发展，使它们更加经济和可靠。一个密封性能完好的轴承对于其使用寿命而言是极为重要的10。轴承不能有任何油脂的泄漏，即使在很高的温度下也应如此，而且水或脏物对轴承内部的侵入也是不允许的。图5是NTN开发的轻接触密封圈，用于新干线700系车中。 4）轴承箱结构 轴承箱是安装轴承和填充润滑脂的部件，润滑脂室的结构对轴承的润滑性能、寿命有重要的影响。国内普遍采用简单的环形润滑脂室，而对其他结构很少采用，其主要原因是国内缺乏对润滑的基础和系统的研究，特别是试验研究。 图6是国外成功的轴承箱结构10。设有环形润滑脂室和第2润滑脂室以及旁通孔和开式气孔。借助环形润滑脂室可防止因润滑脂搅拌二引起的老化并改善润滑脂基油在轴承内的流入性。旁通孔和开式气孔则是作为利用机内负压来防止尘埃、雨水侵入的措施而设置的。另外，在环形润滑脂室的外侧设置了第2润滑脂室，目的是为了增加润滑脂的封入量。此种轴箱结构在新干线、既有线及其他无给油轴承的直流牵引电动机上都取得了很好的运用效果，具有很高的可靠性。2.4 润滑及使用维护轴承润滑的质量是由轴箱结构、轴承、润滑脂3个要素综合决定10，其中润滑剂性能及使用条件对轴承的性能具有决定的影响。1） 高性能润滑剂现在普遍采用润滑脂进行电机轴承的润滑。基础油和添加剂的种类多样，品牌众多，其性能各异。日立制作所与轴承生产厂家一起对用于新干线动车的感应电动机润滑脂进行了评价，从18个品牌中选定了耐热性能好的锂复合皂润滑脂作为新干线动车用润滑脂。另外，最近开发的轴承用长寿合成润滑脂，预计能达到中间不给油（回转分散给油）而行驶120万km的效果10。NTN的试验结构表明，含有高性能添加剂的UItraperformancegreaseNo.2(UPG2)的温升和寿命指标都优于新干线使用的润滑脂Unimax R No.2，国内的“先锋”号轴承试验及其实车考核都验证了这一结果，UPG2正逐步得到推广使用。2） 非解体维护针对不解体维修的要求，除了开发长寿命油脂延长解体周期外，还要研究不用解体就能进行给排油的非分解式轴承结构。非分解轴承结构既保留机车动车轴承原有特征又能方便给排油。该结构中设置了一条给排油用细管子，排油时，利用维修工厂现成的压缩空气，用真空泵从排油管中强行将旧的润滑脂吸出。往轴承箱内注入新油脂或排出旧的油脂都很方便。图7为更换油脂的示意图8。国内株洲南车电机股份有限公司使用的动态加油工艺也起到异曲同工的效果。新干线动车从300系开始采用交流牵引电机，作为代替迄今为止所采用的解体检查方法，开发了主要以轴承部分为对象的牵引电机非解体检查法。对轴承故障的检查、清洗、填充新的润滑脂等工序全都在非解体状态下进行。轴承是否存在故障是通过对轴承进行3）润滑脂的定量管理 润滑脂的填充量与温升和寿命有很大联系。日本名古屋工厂为明确绝缘轴承的性能及特征，并使之量化，从维护的观点出发，着眼于润滑脂的填充量、就几种类型的润滑脂填充量进行了测定轴承温升的试验。通过试验，明确了绝缘轴承的特性以及在轴承保养方面应该注意的问题11。2.5 监测 轴承损伤萌生的早期检测避免了耗时的轴承拆御，这为运用者节约了成本并且提高了运行安全性。达到此目的的一种方法是开发出一种如前所述的具有诊断功能的轴承。FAG公司在这方面走得更加超前，它所开发的试验台可以对车辆上的整个车轴进行试验。对结构所致噪声的评估有助于缺陷诊断而无须拆御轴承9。 FAG 与合作伙伴研制了铁路轮副轴承和座圈振动与温度传感器，它可以早期检测出轴承的损坏。 在轴承上集成温度和速度传感器也可为轴承损伤状态的在线监测提供可能。图8（a）为NTN研制的集成有温度和速度传感器的轴承。SKF设计的带有传感器的轴承已经应用于意大利国营铁路公司的所有摆式车体的动车组以及ETR500型高速列车。2.6 试验 影响轴承及其润滑系统综合性能的因素错综复杂，在目前基础理论还不完善的阶段，试验研究尤其重要。采用先进的轴承试验台进行系统研究，为深入理解轴承和油脂的摩擦磨损性能、耐热耐蚀性能、抗疲劳性能等提供重要技术手段，为改进轴承设计制造水平和优化润滑技术提供可靠依据。 在一种新的轴承可以投入苛刻的铁路试运行以前，其适用性必须得到现场试验的证明。1998年，FAG公司建成了一座万能试验台来模似铁路运行的实际情况。这台机器能模似接近真实的线路状况，并且可以在原始的车轴轴承上考核所有关键因素的影响。其中最重要的试验标准参数是运行时产生的工作温度以及润滑脂的状态。FAG公司有一个功能齐全、经过优化设计的试验站，用于滚动轴承的基础和应用试验9。 NTN在轴承的研发过程中同样十分重视各种试验、分析，拥有大量自主开发和标准的试验分析设备，图9是试验场地一角。其中牵引电机轴承的试验设备居国际领先水平。国内长期缺乏类似的牵引电机试验台，这是制约研发高性能轴承的关键因素之一。2004年，由北京交通大学和NTN合作建立了“北京交通大学-NTN牵引电机轴承试验站”，拥有一套轴承试验设备，它是国内唯一的可以进行高速列车牵引电动机轴承耐久性试验的专用设备。 图10是NTN用于牵引电机轴承试验的主轴结构示意图。主轴内安装有被试轴承1和3，承受径向、轴内负荷的装置，并装有轴承内圈温度遥测单元6及其他零部件。当安装不同尺寸的试验轴承时，套筒9内部件也不同。被试轴承的轴承座及其润滑脂腔均按照实际电机的结构设计，最大程度地模似实际工况。如果需要评定油脂的高温性能，可在轴承座内安装加热装置，最高温度达200. 该试验台能根据实际使用状况进行不同转速、轴向和径向载荷、温度、润滑油脂等综合条件下的试验，具有如下特色： 圆柱滚子轴承和深沟球轴承成对装配，与实际电机中的轴承布局相同； 密封油脂型腔构造与实际电机的构造完全一致、能够模似实际的润滑剂流动状况； 2套主轴可以进行轴承和油脂的对比试验； 该试验系统具有高度自动化合故障保护措施，能实现无人值守工作上万小时。评价牵引电机轴承及其润滑性能通常可进行如下3种试验考核： 急加速试验：从静止快速提升到某一高速，主要考察轴承和油脂的动态特征。 温升特性试验：在轴向和径向负荷固定条件下，转速呈阶梯状升高，考察轴承在某速度下的温升。 耐久性试验：在某一特定转速、轴向和径向负荷条件下进行长达数月的试验，考察油脂和轴承的耐久性能。3 结语本文综合国内外研究成果，分析了高速牵引电机轴承的发展趋势以及采用的关键技术，涉及高速轴承的材料、结构设计、绝缘涂层、润滑、试验、监测等方面，希望能给同行研制高速电机轴承有一定的指导作用。参考文献1 刘吉远，柴小转。我国铁路货车滚动轴承的发展历程J铁道车辆，2005、43（10）：1-8.2 木川武彦，等。 机车车辆轴承及其润滑的现状与动向J。国外内燃机车，2001、356（2）：24-29.3 温诗铸，黄平。摩擦学原理M。北京：清华大学出版社，20024 德国FAG轴承公司。为何总是能领先EB/OLhttp：//zj1t/f1x.htm,20015 陶瓷材料在轴承制造业的应用EB/OLhttp：//hydt/2003/2003-02-14.htm, 2003-02-14.6 王涛，王征，王魁久。展望中国陶瓷轴承的发展方向及市场前景J，新材料产业，2002、101（4）：34-36.7 樱井，清隆。陶瓷轴承在铁路机车车辆的应用J。国外内燃机车，2001、360（6）：33-40.8