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发展中的轨道交通车辆用轴承

文档作者：叶军1 2 杨立芳1 文档来源： 1．洛阳轴承研究所有限公司 2．西安交通大学		点击数：	更新时间： 2021年04月27日
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CN41—1148／TH
轴承2013年l2期
Bearing 2013，No．12 61—65
发展中的轨道交通车辆用轴承
叶军 r，杨立芳
(1．洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳471039；2．西安交通大学，西安710049)
摘要：从轴承的结构设计、保持架、材料、润滑与密封、标准5个方面，对牵引电动机轴承、轴箱轴承、齿轮箱轴承
等轨道交通车辆关键轴承的技术现状和发展进行综述，以供国内同行借鉴。
关键词：高速轨道交通；滚动轴承；结构；材料；保持架；润滑；密封；标准
中图分类号：TH133．33 文献标志码：B 文章编号：1000—3762(2013)12—0061—05
Development of Bearings for Rail Transit Vehicles
Ye Jun ，Yang Li—fang
(1．Luoyang Bearing Research Institute Co．，Ltd．，Luoyang 471039，China；2．Xi an Jiaotong University，
Xi an 710049，China)
Abstract：From the five aspects inculding structural design，cage，material，lubrication and seal，and standard，the
technical status and development of key bearings for rail transit vehicles are summarized，such as traction motor bearings，
axle bearings and gearbox bearings，which provide reference for domestic industry．
Key words：high—speed rail transit；rolling bearing；structure；material；cage；lubrication；seal；standard
“十二五”期间，中国国家铁路运营的总里程
将从目前的91 000 km增至120 000 km左右。其
中，高铁、城市轨道交通建设呈现出前所未有的发
展局面，新一轮的轨道交通建设已经在全国范围
内逐渐展开，中国已成为全球最大的城市轨道交
通市场。
轴承作为车辆运营安全的关键零部件，其性
能和可靠性需达到更高的要求。目前，我国的轨
道交通车辆用轴承正处于技术升级换代时期，中
国轴承的技术水平与国际先进水平相比仍存在一
定的差距，如动车、高铁轴承还全部依靠国外进
口。因此，学习先进的轴承技术，加速轨道交通车
辆用轴承的国产化势在必行。
在此，从轴承的结构设计、保持架、材料、润滑
与密封、标准5个方面，对牵引电动机轴承、轴箱
轴承、齿轮箱轴承等轨道交通车辆关键轴承的技
术发展进行介绍，以供参考。
1 轴承的结构设计
轨道交通车辆用轴承的技术发展应顺应车辆
收稿日期：2013—07—11；修回日期：2013一o9一o7
基金项目：国家科技支撑计划项目(2011BAF09B01)
安全运行、高速化、延长检修期、提高运行舒适性
的发展方向。
1．1 牵引电动机轴承
1．1．1 技术特点
牵引电动机是实现轨道交通车辆高速化的关
键设备之一。随着电力电子设备和控制技术的发
展，牵引电动机逐步从直流电动机转换为异步电
动机，直驱式牵引电动机系统也在开发之中，以满
足电动机小型、轻量、节能、省维护、长寿命的使用
要求。牵引电动机的转速一般为2 000—4 000
r／minl1』
， 新型高铁牵引电动机的转速可达6 000
r／min，7 000 r／min以上的高转速牵引电动机已在
研发中。
牵引电动机轴承主要承受径向载荷，由于受
运行时转向架振动的影响，轴承还需承受一定的
动载荷，实现频繁的运转、停止循环作业。与轴箱
轴承和齿轮箱轴承相比，牵引电动机轴承的计算
寿命要长得多。轴承的一般配置为：齿轮一侧(传
动侧)选用圆柱滚子轴承，反齿轮一侧(换向器侧)
则使用深沟球轴承，润滑方式大多采用脂润
滑 I4 J。为实现轴承的高速旋转，有效抑止牵引
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《轴承}2013．No．12
电动机各部件的温升，对轴承的热处理工艺、绝缘
性能、润滑脂的耐热性和耐久性以及保持架的引
导方式进行了改进 。
1．1_2 绝缘轴承
牵引电动机中，由通过轴承的电流产生的电
蚀极具危害，有可能使轴承内的润滑脂提前老化，
甚至造成轴承损坏。为防止电蚀现象，考虑价格
和可靠性，采取绝缘轴承作为解决方案。牵引电
动机所选用的绝缘轴承一般有3种：混合陶瓷轴
承、陶瓷喷涂轴承、树脂覆膜轴承 J。
(1)混合陶瓷绝缘轴承，使用陶瓷材料制作滚
动体或套圈，因牵涉到陶瓷的制备和加工，技术难
度较高，但绝缘性和高速性能优异。陶瓷滚动体
或套圈能彻底切断电流通路，可较好防止电蚀损
害。另外，陶瓷与钢之间的接触在不良润滑状态
下不会出现“微焊”现象，即使在润滑完全失效的
状态下轴承也不会卡住。但考虑到陶瓷的脆性破
坏会造成严重后果，在高速列车中较少使用混合
陶瓷绝缘轴承。目前，国内的混合陶瓷绝缘轴承
还处于研究和试制阶段 。
(2)陶瓷喷涂绝缘轴承，使用等离子体喷涂
法，采用以氧化铝为主的陶瓷粉末对外圈外径面
进行喷涂并进行绝缘化处理。为了防止高频电流
流过产生电蚀，喷涂的膜厚应大于o．3 mm 。
NTN公司生产的绝缘轴承，外表面使用陶瓷和金
属的多层涂层，每层厚度均在0．2 mm左右；根据
使用场合不同，也可仅使用1层陶瓷涂层 J。目
前，该型陶瓷绝缘轴承已成功应用于13本新干线
300系、500系、700系动车组及我国的“和谐”号
等动车及高铁车组 。
(3)树脂覆膜绝缘轴承，通过注塑成形法在外
圈外表面喷涂PPS树脂等绝缘物。PPS树脂绝缘
轴承的电绝缘性能优异、价格低廉，应用广泛。
PPS绝缘轴承虽然可防止电蚀，但由于PPS树脂
的导热系数低，相较于非绝缘轴承，轴承内部容易
形成高温 J。应用中为了保持PPS绝缘轴承的优
异性能，提高热传导性，在原玻璃纤维增强PPS树
脂中加入非导电性的高热传导性填充物，使树脂
热传导率提高 。
1_2 轴箱轴承
轴箱轴承需承受整个车辆的车体重量及载
重，还需承受运行中车辆摇摆产生的各个方向的
力。除了承受静态及动态径向载荷外，还承受非
恒定的轴向载荷。随着车辆的高速化，为保证车
辆的运行稳定性，要求车轴结构零件尽可能轻量
化、小型化，即需要轴箱轴承实现紧凑化设计。而
且，车辆的轻型化与节能紧密相关，可有效降低车
辆对铁轨的冲击 ’。 。
近年来，国内外高速轨道车辆轴箱轴承已从
油浴润滑的带挡边圆柱滚子轴承发展为脂润滑免
维护密封式双列圆锥滚子轴承，既承受径向载荷，
也承受轴向载荷，且满足结构紧凑及轻型化的要
求。采用脂润滑密封形式可使维修简化，并可通
过减小轴承的轴向问隙提高运行稳定性 J。
SKF公司将FEM有限元解析方法运用到轴
箱轴承设计中，开发出紧凑型圆锥滚子轴承组件
(CTBU)。轴承设计中采用了塑料保持架与低摩
擦接触密封，以缩短车轴，减小轴承引起的车轴弯
曲，同时减轻簧下质量。CTBU组件内还装有监测
速度及轴承状态的传感器 J。由于紧凑设计能延
长维修周期，可进一步提高轴承性能与安全性，具
有低运转温度、润滑脂长寿命、最佳密封性能等特
点，已得到广泛地应用，也是轴箱轴承的发展方
向 。
1_3 齿轮箱轴承
电动车辆牵引电动机的转矩通过联轴节先传
递到齿轮装置上的小齿轮轴，再由小齿轮传递到
压装在车轴上的大齿轮，最后转化为车轮／钢轨系
统的驱动力或制动力。齿轮装置用轴承大多采用
一对单列圆锥滚子轴承的组合 J，与齿轮共同使
用润滑油。
齿轮箱轴承的作用是作为支承，在承受运行
振动的同时，将旋转力平稳地传递到车轴，设计时
需要考虑振动载荷及转速。圆锥滚子轴承的轴向
游隙需要在装配过程中精确调整。除了改进小齿
轮结构控制轴向游隙外，也可使用不需要在装配
中调整轴向游隙的轴承，如采用三点或四点接触
球轴承与圆柱滚子轴承的组合。
近年来的技术发展有：改进结构控制轴承游
隙；降低接触面的表面粗糙度；改善润滑结构以防
止内圈烧伤；为防止润滑油的搅拌发热导致的内
圈蠕变，对内圈进行尺寸稳定化热处理 J。
2 保持架
2．1 保持架结构
牵引电动机轴承采用滚动体引导的保持架。
与原外圈引导保持架相比，可降低因高速旋转而
引起的轴承温升，并减少磨损，改善润滑脂基油向
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叶军，等：发展中的轨道交通车辆用轴承
外圈滚道面的流人性 。
代表轴箱轴承发展方向的CTBU采用塑料保
持架，并在保持架的窗孔上留有独特的检查窗孔，
以方便检查内圈滚道和大挡边。
齿轮箱中的小齿轮轴作为输入端轴，在高速
旋转下承受来自联轴器的振动，容易使轴承保持
架遭受磨损，甚至疲劳断裂，因此使用带有软氮化
处理表面层的加强型保持架 ’ 。
2．2 塑料保持架
塑料保持架采用注射成形方法制作而成，大
多在聚酰胺树脂中填充玻璃纤维，以提高机械强
度、尺寸稳定性和耐冲击性。国外原材料中的玻
璃纤维在高分子合成过程中加入，具有极高的均
匀性。而国产材料则在改性过程中加入玻璃纤
维，均匀性较差，在一定程度上影响保持架的性能
及稳定性。
塑料保持架质量大约是钢制保持架质量的
1／6，其力学性能优良，稳定性好，自润滑效果佳，
摩擦因数低，耐冲击疲劳性能高，提高了轴承在贫
油润滑及高速运转条件下的性能_8 J。即使轴承处
于损伤状态，也不会引起旋转障碍，可连续运
转 。在国外公司的无油试验中，塑料保持架即
使处于熔化、断裂状态，都未出现“抱轴”现象，大
大延缓了故障的出现，防止或杜绝了热切轴的发
生，避免了恶性事故，提高了车辆运行的安全性。
SKF公司自1990年就在圆锥滚子轴承部件
中使用了塑料保持架，并在实际应用中获得了许
多经验和数据 ；NTN公司采用保持架运动动态
分析和先进的有限元分析设计方法开发出的塑料
保持架，寿命达到普通材料的3倍以上 ；FAG公
司开发的圆柱滚子轴承，其保持架选用聚酰胺材
料，与层状环形结构的密封紧密配合，并使用添加
了极压添加剂的特种锂皂润滑脂，使其使用寿命
可达到3 000 000 km 。
中国铁路已将塑料保持架作为标准部件采
用 J。虽然塑料保持架性能优于金属保持架，但
根据其材料特性，塑料保持架的使用条件有限制，
使用时需充分注意。
3 轴承材料
3。1 铁路轴承用钢
轴承钢是决定轴承寿命和可靠性的关键因素
之一，轨道交通车辆关键部位轴承工况严酷且变
化多端，对轴承钢的性能，除要求接触疲劳寿命
长、耐磨性高以外，还要求其具有强大的冲击韧性
和尺寸稳定性 。
提高轴承钢寿命的首要途径是提高钢的纯净
度，因为钢中即使存在少量的氧化物、硫化物或氮
化物夹杂，也会大大降低其使用寿命，因此，高级轴
承钢多采用电渣重熔法。另外，日本根据航空发动
机用轴承材料的冶炼工艺进行高铁轴承用钢的冶
炼，其超高洁净度SAE4320钢(与我国的
G20CrNi2MoA钢相当)采用真空精炼式生产(电炉
一炉外精炼一RH真空脱气一连铸)方法，已在285
km／h的新干线700系高速列车轴承上得到使
用 。
我国在轴承金属材料的热处理、加工工艺、表
面改性等方面的研究还处在探索、试验阶段 』。
在研制高铁轴承用钢的过程中，相当大的努力都
是针对轴承钢的成分及其加工工艺所做的改
进 J。目前，已研究采用真空精炼渗碳轴承钢代
替电渣重熔轴承钢和提高轴承钢材料纯净度的工
艺方法 m 。
针对轨道交通轴承用钢的研究方向主要集中
在以下几个方面：
(1)热处理工艺的研究，为保证贝氏体处理后
的接触疲劳寿命，确保高的断裂韧性和高的冲击
韧性，就必须对热处理工艺进行选择及试验研
究 圳 ；
(2)钢种的选择，发展方向是采用GCrl8Mo
进行贝氏体等温热处理，还可考虑采用
G20Cr2Ni4A钢 圳 ；
(3)冶炼工艺的研究，钢中氧含量是影响轴承
使用寿命的关键因素，要求氧化物分布均匀、碳化
物颗粒细小、低倍组织微密，必须研究既能获得低
氧含量，又能确保其他质量的冶炼工艺 。
3_2 陶瓷材料的应用
更高的要求，如高温、高速、高精度等，仅依靠
改进传统的金属轴承结构或改善润滑条件已经远
远不能达到要求，开发新型材料已是大势所趋。
研究发现，某些陶瓷材料具有特别优良的性能，可
以在金属材料和高分子材料难以担当的苛刻工作
环境中使用。
在具备轴承材料所必需的重要特性的同时，
陶瓷材料的质量仅为钢材质量的40％ ，该特点有
助实现轴承的轻量化和高速化。在高温条件下仍
能保证高强度和高硬度，使陶瓷轴承具有良好的
耐磨性。将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世
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界高新技术研发与应用的热点 。
4 润滑与密封
4．1 润滑
与润滑油相比，润滑脂具有处理简单、使用方
便、无需储油装置等优点。因此，高速列车轴承以
脂润滑为主¨J，但当轴承与齿轮等其他零件一起
润滑时，如铁路车辆驱动装置中的轴承和齿轮，选
用油润滑。
选择合适的油脂非常重要。轴承润滑状况的
正确判定对制定列车维修周期具有指导意义。分
解检测周期由轴承使用寿命确定，润滑剂在轴承
零件中使用寿命最低，延长润滑剂的使用寿命可
延长维修间隔，降低成本。因此，对轴承润滑脂状
态的评价是制定车辆维修周期的重要依据。
4．1．1 润滑脂的发展
润滑脂由液体的基础油成分和能保持基础油
成分的稠化剂组成，不同油脂中还存在少量的添
加剂。根据稠化剂的不同，油脂又可以分为钠皂、
钙皂、锂皂或钡皂基等，以往大多使用钠皂基，近
年来锂皂基润滑脂逐渐成为主流。
直流电动机轴承一般用锂基脂润滑，随着交
流电动机的使用，为进一步提高轴承的耐热性和
耐久性，开发了复合锂皂基润滑脂 。
日立公司研究认为，轴箱轴承的润滑品质由
轴箱结构、轴承和润滑脂3个要素决定。在改进
轴承和轴箱结构的同时，研发了以烷基苯醚和多
元醇酯混合物为基础油，复合锂为稠化剂并添加
胺系和硫系添加剂的新型合成油润滑脂，使用该
润滑脂的轴承寿命达到了以往新干线电动车轴承
的3倍，实现了1 200 000 km非解体运行 。
NTN公司也开发了含有高性能添加剂的润滑
脂UPG2，温升和寿命指标提高明显 。合成油润
滑脂已成为高速铁路机车轴承润滑脂的主要研究
发展方向⋯ 。
我国轨道交通车辆轴承润滑脂经过几代科研
人员的研究，经历了钙钠基、锂基、锂钙基、极压型
锂钙基润滑剂的发展过程，基本达到国外同类产
品的先进水平。目前铁道车辆滚动轴承Ⅳ型润滑
脂借鉴国外润滑脂的技术特点，采用高级脂肪酸
锂钙皂稠化深度精制的石蜡基基础油，同时加入
抗氧剂、防锈剂、极压抗磨剂等添)Ja~l，具有良好
的机械安定性、胶体安定性、极压抗磨性、抗氧化
性、防锈陛、抗水性和长寿命等特点，可满足铁路
货车提速、重载、延长检修期等要求¨ 。
4．1-2 轴承箱润滑脂室结构
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、寿命有着重要
的影响。国内普遍采用简单的环形润滑脂室，缺
少对润滑系统的研究及试验分析。国外成功的轴
承箱润滑脂室结构，除设计有环形润滑脂主油腔
外，还设计有副油腔。主油腔防止润滑脂因搅拌
而引起的老化并改善润滑脂基油在轴承内的流人
性，副油腔则用来增加润滑脂的封人量，旁通孔和
开式气孔利用机内负压防止尘埃、雨水侵入。试
验证明，提高润滑脂室主油腔深度，加大主油腔和
副油腔的接触区，有助于提高轴承润滑脂的使用
寿命 ’ 。
4．1_3 轴承润滑脂的定量管理
采用合适的注脂工艺和注脂量，可有效地延
长轴承使用寿命。润滑脂的填充量与轴承温升及
寿命相关，为保证牵引电动机绝缘轴承的性能及
特性，应量化填充润滑脂 ’ 。
4．1．4 非解体维护
非解体维护是指对轴承故障的检查、清洗、填
充新润滑脂等工序全都在非解体状态下进行。针
对非解体维护的要求，除开发延长解体周期的长
寿命润滑脂外，还要研究不用解体就能进行润滑
脂清洗的非分解式轴承结构。对于运行到检查距
离的车辆牵引电动机，在完全非拆卸状态下通过
振动分析和荧光X射线对轴承进行成分检查；对
继续使用的轴承采用高温、高压水及真空复合装
置进行清洗并填充新润滑脂 ' J。
42 密封
轴承上设有密封装置，其作用是防止轴承的
润滑剂向外部渗漏，并防止由于灰尘及水等异物
的侵入而导致润滑作用丧失。
轴箱轴承上使用了称为油封的密封装置，由
橡胶材料与金属环、弹簧等构成，油封的楔形唇口
与挡油环接触，保证了密封性能。经试验研究，目
前已确认氟化橡胶制油封的耐久性、机械强度优
于丙烯酸酯橡胶制油封。另外，为适应高速化需
求，抑制密封唇与轴的剥离，改进了填充剂；为防
止列车进出隧道时由于空气压力变动引起的唇口
姿态变化，对油封唇口部的尺寸及形状进行改进，
提高了唇口刚度⋯。。 。
SKF公司开发的紧凑型圆锥滚子轴承带有内
置式低接触密封，其以低摩擦橡胶密封的机理为
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基础，将迷宫式密封、唇形密封、抛油板零件组合
使用，可靠地隔离了污染，实现了润滑脂的长寿命
化与节能。轴承设计中取消了密封座和衬垫，密
封件内置于轴承内、外圈中间，节省了空间，抑制
了车轴弯曲。在内圈与后盖的配合面上设计有聚
合物衬垫，避免了钢与钢之间的摩擦腐蚀导致的
轴向问隙增大，从而阻止异物进入轴承 。
5 有关标准
美国一般使用美国铁路协会标准(AAR)，其
以北美的货车为应用对象 。
欧盟成员国已开始使用通用的铁路轴承标
准，主要包括：以车轴轴承为对象的滚动轴承标准
EN12080，润滑脂标准EN12081和性能试验标准
EN12082，基本内容见表1。另外，欧盟成员国对
贯穿产品整个生命周期的(从对产品的可行性分
析研究到产品报废)有关可靠性、可用性、可维修
性和安全性的标准(RAMS)也已经建立。
表1 铁路车辆轴承EN标准
标准号 基本内容
轴承的基本要求；确定的材料清洁度、标记和
EN12080 抽样检验方法；轴承内部和表面区域缺陷检查；
超声波检查、涡流探伤和塑料保持架强度测试
铁路车辆车轴轴承润滑脂的最低质量要求；基
FN1，nR1 于各种润滑脂的性能评估测试、台架试验和耐久
⋯ ⋯ ～ 性试验的润滑脂俭测；实际使用EN12082标准润
滑脂的车辆轴承的耐久性试验
包括车轴轴承和润滑脂的轴颈轴箱的性能和
耐久性标准；包括台架试验和实际车辆测试的应
ENI2082 用标准；台架试验包括同时进行2套轴承的测
试，进行试验后的异常检查和润滑脂恶化程度的
评估
日本曾制定国有铁路标准(JRS)，包含铁路轴
承和润滑剂的标准内容，但1982年该标准被废
止。目前日本铁路车辆：[业会正在推进制定公共
团体标准(JRIS)，内容包括以车轴轴承为对象的
寿命计算方法及陛能试验方法等¨ 。上述RAMS
标准化过程也已经在日本开展 J。
6 结束语
目前，我国高速轨道交通正实现跨越式发展，
相关新产品、新技术的不断引入，为轨道交通车辆
轴承的技术应用积累大量经验，这必将大大促进
国内轨道交通车辆轴承自主创新技术的发展，推
动轨道交通车辆轴承关键技术、共性技术和配套
技术的进步。
国内专业铁路轴承制造厂家和科研机构、大
学等已投资和向国家申报了相关的高铁轴承的研
究项目，并获得了国家的相应支持。通过国内外
有关轨道交通车辆轴承的技术调研及技术论文的
收集，综述了国内外轨道交通车辆用轴承的发展
现状及关键技术，希望能对轴承行业的同行起到
一定的参考和借鉴作用。
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(编辑：张旭)

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