王多亮，任子晶，趙 燕

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱150036；2.哈爾濱軸承集團公司 鐵路軸承制造分廠，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

高速鐵路作為現(xiàn)代社會的一種新的運輸方式，在安全、快捷、經(jīng)濟、環(huán)保等方面都具有極為明顯的優(yōu)勢。進入新世紀以來，為配合中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國鐵路決定把發(fā)展客運高速作為實現(xiàn)現(xiàn)代化的一個主要方向。依靠自主創(chuàng)新，中國高速鐵路從無到有，經(jīng)過10多年的高速鐵路建設(shè)和對既有鐵路的高速化改造，我國高速鐵路運營總里程將突破1.3×104km，同時我國的軌道交通技術(shù)裝備逐步提高并實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但作為基礎(chǔ)精密配件的軸承，我國目前主要依靠進口。高速鐵路客車軸承（圖1）的高可靠性，長壽命要求，制約著我國高鐵軸承的研發(fā)，現(xiàn)從結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝方面對如何提高軸承的疲勞壽命做一下理論分析。

2 疲勞壽命

2.1 疲勞壽命基本概念

圖1 高鐵軸承外觀圖

軸承在使用過程中要求具有精度高、載荷大、摩擦力矩小等性能，同時要求在使用期內(nèi)能保持所需要的性能指標。當由于安裝不正確、潤滑不良、配合不當、塵埃和異物進入等原因造成性能指標低于使用要求不能正常工作，或者軸承中任一滾動體或滾道出現(xiàn)疲勞剝落，在這之前的使用期限就是一般所說的疲勞壽命。

軸承是高速運轉(zhuǎn)最基本且必須之關(guān)鍵性零件，在負荷和溫度及可靠性上，都有嚴格的規(guī)定與限制。提高軸承的壽命，防止軸承的疲勞破壞是高鐵軸承設(shè)計的基本要求之一。

2.2 疲勞壽命計算

修正額定壽命

p－軸負荷

Pr=P×f1

f1－動載荷系數(shù)

Cr－額定動載荷

a1－可靠性系數(shù)（n=10）a1＝1

（n=5）a1=0.62

（n=1）a1=0.21

a2－材料與設(shè)計系數(shù)1.4～1.8

a3－應(yīng)用與潤滑系數(shù)，按一般情況考慮a3=1。

從上述公式可以看出，軸承的疲勞壽命主要受到工況的使用載荷、軸承的設(shè)計載荷、軸承的結(jié)構(gòu)、材料因素、潤滑情況等因素影響，對這些方面有個清楚的認識，對于提高鐵路軸承的疲勞壽命有重要意義。

3 軸承疲勞壽命的影響因素

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 高速鐵路軸承結(jié)構(gòu)示意圖

因為受載情況的限制，高速鐵路軸承有雙列圓錐滾子軸承（圖2）、四列圓錐滾子和雙列圓柱滾子軸承等幾種結(jié)構(gòu)，無論是哪種結(jié)構(gòu)都要求承受徑向、軸向聯(lián)合載荷，在設(shè)計中增加滾動體（件04）的數(shù)量、增大直徑、長度，提高其承載能力，同時改善潤滑條件，增加孔、槽等設(shè)計，解決散熱問題，并加密封裝置（件18、件48）防止水、灰塵等異物的進入。以上結(jié)構(gòu)的設(shè)計有助于改善軸承的使用環(huán)境，提高軸承的抗沖擊能力，延長軸承的壽命。

3.2 材料的影響

材料的化學(xué)成分和冶煉方法對軸承的壽命影響很大。一直以來鐵路軸承一般使用韌性好、抗沖擊能力強的滲碳鋼GCr18Mo作為生產(chǎn)套圈的材料，隨著鐵路軸承高可靠性、長壽命的要求越來越嚴格，對軸承材料性能指標的要求也逐步提高，目前我公司試制的高鐵軸承使用了國內(nèi)新研發(fā)的材料,其化學(xué)成分接近歐洲鐵路軸承的先進材料。

鋼鐵的冶煉方式經(jīng)過了普通冶煉、真空脫氣冶煉、真空重熔冶煉三個階段，試驗表明真空冶煉的軸承材料純凈度高，非金屬夾雜氧化物、硅酸鹽等含量減少，疲勞壽命比大氣冶煉的軸承鋼提高2倍左右。我國軸承鋼材氧含量已經(jīng)接近國外先進水平，但夾雜物和碳化物按軸承尺寸的大小的分布均勻性、成分均勻性與國外相比還有很大差距，如大尺寸的夾雜物和碳化物較多、基本成分不均勻形成黑白區(qū)等，造成軸承質(zhì)量先天不足，嚴重影響了軸承的疲勞壽命和可靠性。為了滿足高速鐵路軸承長壽命的趨勢，軸承企業(yè)應(yīng)與冶金企業(yè)展開合作，促使冶金企業(yè)在進一步降低氧含量的基礎(chǔ)上，開展?jié)沧⒛碳夹g(shù)、軋制技術(shù)、夾雜物控制及檢測技術(shù)的研究，以提高夾雜物和碳化物的尺寸及分布均勻性。

3.3 制造工藝的影響

鍛造、車削是我們常用的加工金屬的重要手段，試驗表明在毛坯成型的過程中纖維流線如果與表面平行，有利于延長疲勞壽命，如果在冷軋、車削過程中切斷了流線或者流線分布與表面垂直，容易在纖維露頭的地方發(fā)生疲勞破壞，可見在鍛造、車削加工過程中應(yīng)盡力沿平行纖維流線的方向進行加工，盡量減少對流線的破壞，提高軸承的疲勞壽命。

熱處理作為改善金屬或合金組織結(jié)構(gòu)和性能的重要手段一直備受關(guān)注。針對不同的材料制定合理的熱處理工藝，使碳化物的顆粒細化、分布均勻，有利于疲勞壽命的提高。我廠研制的高速鐵路軸承套圈采用了表面滲碳處理，在不降低表面硬度的情況下提高表面殘余奧氏體的含量，改善表面應(yīng)力狀態(tài)，提高軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命和可靠性。

工件的磨削和超精加工去除表面的加工變質(zhì)層，減小表面粗糙度，使工件表面形成壓應(yīng)力，壓應(yīng)力可抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展速度，延長疲勞壽命。磨削加工實際上是多刀同時切削的加工工藝，磨削加工的進給量較小，切削力通常也不大，但磨削速度較高(30-80m/s)，磨削區(qū)域的溫度通常都較高，可高達800-1000℃，容易引起工件表面局部燒傷，磨削加工熱應(yīng)力會使工件變形，甚至使工件表面產(chǎn)生裂紋; 同時因為磨削加工過程中會產(chǎn)生大量的金屬磨屑和砂輪碎末，會影響加工工件的表面粗糙度等，所以在磨削工藝制定中要注意砂輪材料的選擇、進給量、切削力大小的控制等。

3.4 潤滑的影響

通常所說的軸承五大件分別指軸承內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架、潤滑劑，可見在現(xiàn)代軸承理論中軸承的潤滑及潤滑方式、潤滑劑的選擇對軸承正常運轉(zhuǎn)起了至關(guān)重要的作用。根據(jù)不同的工況條件應(yīng)選擇合適的潤滑方式，高速鐵路軸承由于使用環(huán)境的限制，選擇了一種火車特種潤滑脂，該脂也是國外高速鐵路軸承專用脂。該油脂除了潤滑、防銹的作用外，還起到了密封的作用。油脂對于軸承壽命的影響主要是考慮運轉(zhuǎn)速度和工作溫度下潤滑的適當程度。潤滑的效果首先由軸承滾動接觸表面被油膜隔離的程度來決定，在油膜厚度、油的粘度合適、清潔程度良好的情況下，足以在軸承滾動接觸表面形成彈性流體動壓時，將形成良好的潤滑條件，對提高軸承壽命有益。滾動體在裝有潤滑脂的軸承內(nèi)公轉(zhuǎn)運動時要受到流體的繞流阻力，滾動體自轉(zhuǎn)運動要受到流體的攪拌摩擦力矩。潤滑脂的摩擦在軸承總的摩擦力矩占很大比例，為了減小摩擦，高鐵軸承注入的脂的體積約占軸承內(nèi)部自由空間的三分之一左右。

4 結(jié)束語

本文從結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝、潤滑等方面對影響高速鐵路軸承疲勞壽命的主要因素做了分析，該分析是軸承理論研究結(jié)合我公司高速鐵路軸承實際生產(chǎn)加工情況的一個初步分析，可作為分析因疲勞壽命不足而損壞的軸承的一種參考，同時對于如何提高高速鐵路軸承疲勞壽命也可作為一種參考。

［1］ 賈群義、鄧四二.滾動軸承設(shè)計原理［M］；河南：河南科技大學(xué)軸承研究所，2005.