摘要: 根据我国铁路机车的现状, 从结构优化、新材料的应用、加工工艺的改进等几个方面系统地阐述了提高铁路机车轴承使用寿命及加强其综合机械性能的措施。通过与国际先进的轴承技术的全面比较, 认为我国铁路机车轴承在技术上已经与国际接轨。

关键词: 滚动轴承; 滚子对数曲线; 电渣重熔钢; 贝氏体淬火; 加强型; 结构; 材料

1 前言

      随着我国铁路机车高速化的发展, 对机车轴承的要求也越来越高。为了增强与进口轴承的竞争,满足机车不断提速的要求, 国产铁路机车轴承在设计及工艺上都有了很大的改进。目前, SKF 轴承代表着国际领先技术, 他们提出的ECP 设计是世界一流的设计理念( E 是指加强型设计; C 是指采用斜面挡边的套圈和球面端头的滚子; P 是指新型材料在保持架上的应用) , 这一理念正逐步被国内轴承厂家和用户接受并采用。下面笔者就近几年在这方面的研究心得, 简要地从轴承的设计结构、材料及工艺几个方面介绍一下国产铁路机车轴承的情况。

2 圆柱滚子轴承的加强型结构

     在保持轴承外型尺寸不变的情况下, 采用加强型结构可大幅度地提高轴承的额定动负荷, 延长使用寿命和改善动态性能。对于圆柱滚子轴承, 一些著名的轴承厂家如SKF、FAG、NSK 等均推出了加强型结构, 从而提高了轴承的承载能力, 降低了摩擦力矩。向心滚子轴承额定动负荷Cr 的计算公式为

Cr = bmf c ( iLwe cosA) 7/ 9Z3/ 4Dwe29/ 27 ( N)

     式中bm 常用材料和加工质量的额定系数;

f c 与轴承零件的几何形状、制造精度和材料有关的系数;

i 轴承中滚子的列数;

Lwe 额定载荷计算中滚子长度;

A 轴承的公称接触角;

Z 每列滚子的个数;

Dwe 滚子的直径。

      轴承的外径、内径和宽度尺寸不能改变, 增大Lwe和Z 也受到限制, 所以在不提高制造精度和改变所用材质的情况下, 减薄套圈厚度而加大滚子直径是最有效的加强方法。例如国产的552732QT 轴箱轴承, 滚子由标准设计的U32 @ 55 加大到U34 @55 后, 滚子数目不变, 其额定动负荷即可提高10.3%, 计算寿命约可提高38.7%。

3 采用斜面挡边的套圈和球面端头的滚子

      标准的圆柱滚子轴承滚子端面与套圈挡边引导表面均设计为平面, 轴承转动时, 两者相互摩擦滑动, 润滑脂易被挤出, 加上离心力的作用, 润滑脂( 油) 难以填充, 容易发热烧损。因此, 除改善润滑条件外, 还必须改变摩擦表面的接触状态。为此,同时采取两条措施: 其一, 把套圈挡边作成有5D 角的微小倾斜面( 图1a) ; 其二, 把滚子端面加工成微小的球面R ( 图1b) 。这样, 球面端头滚子作用于套圈挡边的椭圆压力区有助于形成动压润滑油膜, 减少半干摩擦产生的热量, 既能增加轴承的轴向承载能力, 又能提高轴承的运用转速。

      一般常用的圆柱滚子轴承的轴向承载能力Fa [ 0. 3Fr ( Fr 是指轴承的径向承载能力) , 采用斜面挡边的套圈和球面端头的滚子后, 可以提高到Fa= 0. 7Fr 。由于该结构的圆柱滚子轴承既能承受径向力, 又能承受轴向力, 因而应用在我国内燃、电力机车的轴箱轴承上非常有效, 这样可以节省一套专门承受轴向力的球轴承及其缓冲装置, 简化了轴箱结构。

4 滚子母线采用对数型线

      标准滚子轴承的滚子母线是直线型的, 工作过程中整个有效长度上都受力, 虽然在接触区的大部分区域上的接触应力分布较均匀, 但在接触区端部有突变的倒角, 会引起严重的边缘效应, 导致此处产生较中心应力大数倍的应力峰, 常常造成该处发生早期疲劳剥落, 特别是受偏载时, 滚子边缘的应力比正常状态下的计算应力大4~ 9 倍。试验证

明, 接触应力显著增加的那一段长度相当于滚子长度的0107~ 0. 166。为了降低应力集中和提高轴承寿命, 人们曾对滚子母线进行了各种修正, 先后有修正线凸度、弧坡凸度和对数曲线, 而对数曲线被认为是最理想的一种曲线。

      图2( a) 和( b) 分别示出了各种母线形状滚子的应力分布和线载荷密度对比, 通过对比可得出结论: 滚子的对数型线具有最佳的应力分布形状和良好的纠偏载能力。

      根据三维有限长圆柱体弹性接触理论的计算结果, 已找到了滚子对数型线的方程为

Y = 2( 1- v2) / E # W/ Leff # Ln[ 1/ ( 1 - 2X / Leff2] (μm)

     式中

v 泊松比;

E 弹性模量;

Leff 滚子有效长度;

W 滚子最大负

      大连轴承厂已经成功地完成了滚子对数曲线的设计和加工, 使用洛阳市科迪设备研究所提供的3MZ6260 型圆柱( 圆锥) 滚子凸度超精研机加工对数曲线, 并在英国泰勒尔公司生产的轮廓仪上打出实际曲线, 超精研加工的对数凸度, 完全符合我们设计计算的对数型线要求。图3 所示为轴箱轴承滚子对数曲线图。

5 采用100GrMo7 电渣重熔钢新材料

      我国轴承行业规定的钢种为GCr15 钢和GCr15SiMn 钢。对于壁厚大于12mm 或外径\250mm 的轴承套圈及直径大于22mm 的滚子, 规定必须采用GCr15SiMn 钢, 因为这一钢种淬透性好, 表层和心部的硬度几乎相等, 都可在HRC60以上。但是铁路机车上的使用经验表明, 这样的硬度分布, 对承受剧烈冲击负荷的轴箱轴承并不合适, 内外套圈和滚子脆性大, 冲击韧性低, 容易发生裂损, 倒不如采用GCr15钢为好。GCr15 钢淬透性差, 经适当热处理后, 表层硬度可达HRC60~ 63, 而心部较软,这样, 既能保证轴承有足够的疲劳寿命与磨损寿命, 又具有承受冲击负荷的优良性能。

      此外, 有关研究还表明, 在相同的回火温度下, GCr15SiMn 钢的残余奥氏体含量比

      GCr15 钢高得多。GCr15 钢经淬火和普通回火后,残余奥氏体一般为百分之十几, 而GCr15SiMn 钢热处理后的残余奥氏体高达百分之二十几。较高的残余奥氏体含量, 导致轴承尺寸的不稳定, 轴箱轴承常因此产生内孔直径的胀大, 使轴承与轴颈的配合过盈量得不到保证, 从而出现透锈和弛缓现象。近两年, 我国开始使用100CrMo7 贝氏体钢, 这种钢是SKF 公司首先采用的, 我国牌号为GCr18Mo。它的淬透性比GCr15 钢高一倍以上, 用等温淬火获得的抗压负荷能力也比用常规热处理的GCr15 钢高一倍多, 其冲击韧性是GCr15SiMn 钢的2~ 3 倍, 在相同硬度条件下, 等温淬火的接触疲劳强度是常规热处理的215 倍左右。

      采用科学的冶炼方法也能有效地提高轴承材料的性能。普通轴承钢是在大气中冶炼, 钢中熔有氢、氮、氧等有害气体难以脱离。氢的存在, 易在钢中形成白点, 这是产生裂纹的潜在根源; 氮会增加钢的回火脆性; 由氧形成的氧化物硬度高, 而难变形的氧化物等非金属夹杂物氧化铝、氧化铁等则是产生疲劳的起点。

      在5铁路机车滚动轴承技术条件6 中已规定轴承套圈和滚动体应采用真空脱气钢。这种钢的氧和非金属夹杂物约减少二分之一。采用真空脱气钢的轴承, 其疲劳寿命比普通轴承钢高015~ 3 倍以上, 而其价格却只贵百分之十左右。

      1998 年以后, 开始使用电渣重熔钢, 其脱气效果虽不如真空脱气钢, 但非金属夹杂物比后者少, 特别是真空处理时不可能减少的硫化物减少得更显著。电渣重熔钢被国防科工委定为军甲钢, 是军队武器装备使用的最好的钢。电渣重熔钢与真空脱气钢相比, 纯净度特别高, 发纹长度在016mm 以下( 真空脱气钢为6mm 以下) , 在锻造、扩孔辗压中发纹可以全部消失, 又称无发纹钢。表1 是大连铁道学院力学实验中心提供的不同的冶炼方法对100CrMo7 轴承钢冲击韧性影响的实验数据对比。

      由表1 中的40 件试样的对比得出结论: 电渣重熔钢试样的Ak 值比真空脱气钢试样的Ak 值提高2015%。目前, 只有SKF 公司和我国采用了BGCr18Mo 的电渣重熔钢, 世界著名的德国FAG、日本KOYO、NSK 等轴承知名厂家仍在使用GCr15 真空脱气钢( 外国牌号为100Cr6) , 这说明我国轴承在材料的应用上已位于世界的前列。

6 采用贝氏体等温淬火热处理新工艺

     1992 年8 月份以前, 国内轴承采用的全部是GCr15 钢的马氏体淬火, 自1992 年9 月份开始, 大连轴承厂将GCr15 钢的贝氏体等温淬火成功地用于机车轴承的生产。和传统的马氏体淬火相比, 贝氏体淬火具有以下优点:

     ①贝氏体淬火时, 工件截面上温度比较均匀,基本上同时发生贝氏体转变, 由奥氏体向下贝氏体转变时, 体积膨胀较小, 因此淬火变形较小, 而淬火表面是残余压应力, 因而不易产生淬火裂纹和磨削裂纹。

     ②贝氏体淬火, 冲击韧性可以提高30% 。

     ③ 贝氏体淬火与马氏体淬火相比, 断裂挠度提高了26% 。

      ④由于贝氏体淬火的4 小时等温, 残余奥氏体含量极少( 217% 以下) , 可以保证轴承在存放或使用中, 尺寸基本不变, 因此, 贝氏体淬火具有良好的尺寸稳定性。

      ⑤全下贝氏体组织的接触疲劳寿命, 接近于常规马氏体淬火、经160 e 回火的马氏体组织, 而高于相同硬度的回火马氏体组织。

      ⑥全下贝氏体组织的轴承, 耐磨性和目前常规马氏体淬火( 200 e 回火) 的铁路轴承相当。

     由以上可见, 贝氏体淬火与常规马氏体淬火相比, 具有高的韧性, 良好的尺寸稳定性, 优良的抗冲击、抗裂纹的扩展性能。但是, GCr15 轴承钢并不能充分发挥贝氏体淬火工艺的全部优点, 其贝氏体组织转化技术要求相当严格。1997 年6 月以后, 国内铁路机车轴承开始采用GCr18Mo 贝氏体淬火处理, 取得了良好的效果。这两种材料相比情况如下:

      ① GCr18Mo 是理想的贝氏体钢, GCr15 是优良的马氏体淬火钢, 以前GCr15 用于贝氏体淬火是因为国内不生产GCr18Mo, 不得不用。GCr18Mo 经贝氏体淬火很容易获得80% 以上的下贝氏体组织。

      ②冲击韧性GCr18Mo 比GCr15 可提高一倍以上, 特别有利于高速、重载。

      ③ 弯曲强度GCr18Mo 比GCr15 提高25% 左右。

7 结论

      目前国产机车轴承从材料、结构设计到热处理工艺方面已与国际先进的SKF 轴承接轨, 只差塑钢保持架的采用, 随着德国巴斯夫、美国杜邦、日本住友等国际著名的塑钢和玻璃纤维在中国的生产, 塑钢保持架的机车轴承生产也为期不远了。