摘（zhāi）要: 根（gēn）據我國鐵路機車的現狀, 從結構優化、新材料的應用、加工工藝的改進等幾（jǐ）個方麵係統地闡述了提高鐵路機車軸承使用壽命及加強其（qí）綜合機械性（xìng）能的措施。通過（guò）與國（guó）際先進的軸承技術的全（quán）麵比較, 認為我國鐵路機車軸承在技術上已經與國際接（jiē）軌。

關鍵詞: 滾動軸承; 滾子（zǐ）對數曲線（xiàn）; 電渣重熔鋼; 貝氏體淬火; 加強型; 結構; 材料

1 前言

      隨著我（wǒ）國鐵路機車高速化的發展, 對機車軸承的要求也越（yuè）來越高。為了（le）增強與進口（kǒu）軸承的競爭,滿足（zú）機車不斷提速的要求（qiú）, 國產鐵路機車（chē）軸（zhóu）承在設計及工藝上（shàng）都有了很大（dà）的改進。目前, SKF 軸承代表著國際領先技術, 他們提出的ECP 設計是世界一流的設計理念( E 是指（zhǐ）加強型設計; C 是指采用斜麵擋邊（biān）的套圈和球（qiú）麵端頭的滾子（zǐ）; P 是指新型材料在保持架上的應用) , 這一理念正逐步被（bèi）國內軸承廠家和用戶接受並采用（yòng）。下麵筆者就近幾年在這方麵的研究心得, 簡（jiǎn）要地從軸承的設計結構、材料及工藝幾個方麵介紹一下國產鐵路機車軸（zhóu）承（chéng）的情（qíng）況（kuàng）。

2 圓（yuán）柱滾（gǔn）子軸承的加強型結構

     在保持（chí）軸承（chéng）外型尺寸不變的情況下, 采用加強型結構可大幅度地提（tí）高軸承的額定動負荷, 延長使用壽命和改善動態性能。對於圓柱滾子軸承, 一些著名的軸承廠家如SKF、FAG、NSK 等均推出了加強型結構, 從而提高了軸（zhóu）承的承載能（néng）力, 降低了摩擦力矩（jǔ）。向心滾子軸（zhóu）承額定動負荷（hé）Cr 的計算公式為

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

     式中bm 常用材料和加（jiā）工質量的額（é）定係數;

f c 與軸（zhóu）承零（líng）件的幾何形狀、製造精度和材料有關（guān）的係數;

i 軸承（chéng）中滾子（zǐ）的列（liè）數;

Lwe 額定載荷計算中（zhōng）滾子（zǐ）長（zhǎng）度;

A 軸（zhóu）承的公稱接觸角;

Z 每列滾子的個數;

Dwe 滾子的（de）直徑。

      軸承的外徑、內徑和寬度尺寸不能改（gǎi）變, 增大Lwe和Z 也受到限製（zhì）, 所以在不提高（gāo）製造精度和改變所用材（cái）質的（de）情況下, 減薄套圈厚度而（ér）加大滾子直徑是最有效的加（jiā）強方法。例如（rú）國（guó）產的552732QT 軸箱軸承（chéng）, 滾子由標（biāo）準設計的U32 @ 55 加大到U34 @55 後, 滾子數目不變（biàn）, 其（qí）額定動負荷即可提高10.3%, 計算壽命約可提（tí）高38.7%。

3 采用斜麵（miàn）擋邊的套圈和（hé）球麵端頭的滾子

      標準的圓柱滾子（zǐ）軸承滾（gǔn）子（zǐ）端（duān）麵（miàn）與套圈擋（dǎng）邊引導表麵均設計為平麵, 軸承轉動時, 兩者相互摩擦滑動, 潤滑脂易被擠出, 加上離心（xīn）力的作用（yòng）, 潤滑脂( 油) 難以填充, 容易發熱燒損。因（yīn）此, 除改善潤滑條（tiáo）件外, 還必須改變摩擦表麵的接觸狀態。為此,同（tóng）時采取兩條措施: 其一, 把套圈擋邊作成有5D 角的微小（xiǎo）傾斜麵( 圖1a) ; 其二, 把（bǎ）滾子端（duān）麵加工成微小（xiǎo）的球麵（miàn）R ( 圖1b) 。這樣, 球麵端頭滾子作用於套圈擋邊的橢圓（yuán）壓力區有助於形成動壓（yā）潤滑（huá）油膜, 減少半幹摩擦（cā）產生的熱量, 既能增加軸承的軸向（xiàng）承載能力, 又能提高軸承的（de）運用轉（zhuǎn）速。

      一般（bān）常用的圓柱滾子軸承的軸向（xiàng）承載能力Fa [ 0. 3Fr ( Fr 是指軸承的徑向承載能力) , 采用斜麵擋邊的套圈和球麵端頭的滾子後, 可以提高到（dào）Fa= 0. 7Fr 。由於該（gāi）結構的圓柱（zhù）滾子（zǐ）軸承既（jì）能承（chéng）受徑（jìng）向（xiàng）力, 又能承受軸向力, 因而應用在我國內燃、電力機車（chē）的軸箱軸承（chéng）上非常有效, 這樣可以節省一套（tào）專門承受軸（zhóu）向力的球軸承及其緩衝裝置, 簡化了軸箱結構（gòu）。

4 滾（gǔn）子母線采用（yòng）對數型線

      標準滾子軸承的滾子母線是直線型（xíng）的（de）, 工作（zuò）過程中整個有效長度上都受力, 雖然在接觸區的大部分區域上的接（jiē）觸應力分布較（jiào）均勻, 但在接觸區（qū）端（duān）部有突變的倒角, 會引起嚴重的邊緣效應, 導致此（cǐ）處產生較中心應力大數倍的應力峰, 常常（cháng）造成該處發生（shēng）早期疲勞剝落, 特別是受偏載時, 滾子邊緣的應力比（bǐ）正常狀態下的計算應力大4~ 9 倍。試驗證

明, 接觸（chù）應力顯著增加的那一段長度相當於滾子長度的（de）0107~ 0. 166。為了降低應力集中和提高軸承（chéng）壽（shòu）命, 人們曾對滾子（zǐ）母線（xiàn）進行了各（gè）種修正, 先後有（yǒu）修（xiū）正線（xiàn）凸度、弧坡凸（tū）度和對數曲線, 而對（duì）數曲線被認為是最理想的一種曲線。

      圖（tú）2( a) 和( b) 分別（bié）示出了各種（zhǒng）母線形狀滾子的應力（lì）分布（bù）和線載荷密度對（duì）比, 通過對比可得出結論: 滾子的（de）對數型線具有最佳的應力分布形狀和良好的（de）糾偏載能力。

      根據三維有限長圓柱體彈性接觸理論的計算（suàn）結果, 已找到了滾子對數型線的方程為

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

     式中

v 泊鬆比;

E 彈性（xìng）模量;

Leff 滾子有效長度;

W 滾子最（zuì）大負

      大連軸承廠已經成功地完成了滾子對數曲線的設計和加工, 使用洛陽市科迪設備研究所（suǒ）提供的3MZ6260 型圓柱( 圓錐) 滾子（zǐ）凸度超精研機加工對數曲（qǔ）線, 並在英國泰（tài）勒爾（ěr）公司生（shēng）產的輪廓儀上打出實際曲（qǔ）線, 超精研加工的對數（shù）凸度（dù）, 完全（quán）符合我們設（shè）計（jì）計算的對數型線要求。圖3 所示為軸箱（xiāng）軸承滾子對數曲線圖。

5 采用100GrMo7 電渣重熔鋼新材料

      我（wǒ）國軸承行業規定的鋼種為GCr15 鋼和GCr15SiMn 鋼。對於壁厚大於12mm 或外徑\250mm 的軸承套圈及直徑大於22mm 的滾子, 規（guī）定（dìng）必須采用GCr15SiMn 鋼, 因為這一鋼種淬透性好, 表層和心部的硬度幾乎相（xiàng）等, 都（dōu）可（kě）在HRC60以上。但是鐵路機車上的使用經驗表明（míng）, 這樣的（de）硬度分布, 對承受劇烈衝擊負荷的軸箱（xiāng）軸承並不（bú）合適, 內外套圈和滾子脆性大, 衝擊韌性低, 容易發（fā）生裂損, 倒（dǎo）不如采用GCr15鋼為好（hǎo）。GCr15 鋼淬透性差, 經適當（dāng）熱處理後, 表層硬（yìng）度可達HRC60~ 63, 而心部較軟,這樣, 既能保證軸承有足夠的疲勞壽命與磨損壽命（mìng）, 又具有承受衝擊負荷的優良性能。

      此外（wài）, 有關研究還表明, 在（zài）相同的回火溫度下, GCr15SiMn 鋼的殘（cán）餘奧氏體含量比

      GCr15 鋼高得多。GCr15 鋼經（jīng）淬火和普通回火後,殘餘（yú）奧氏體一般為百分之十幾（jǐ）, 而GCr15SiMn 鋼熱處理後的（de）殘餘奧氏體高達百分之二十幾。較高的殘餘奧氏體含量, 導致軸承（chéng）尺寸的（de）不穩定, 軸箱軸（zhóu）承常因此產生內孔直徑（jìng）的脹大, 使軸承與軸頸的配合過盈量得不到保證, 從而出現透鏽和弛緩現象。近（jìn）兩年, 我國（guó）開始使（shǐ）用100CrMo7 貝氏體鋼, 這種（zhǒng）鋼是SKF 公司首先采用的, 我國牌號為GCr18Mo。它（tā）的淬透（tòu）性比GCr15 鋼（gāng）高一倍以上, 用（yòng）等溫淬火獲得的抗壓負荷能力也比用常規熱處理的GCr15 鋼高一倍多, 其衝擊（jī）韌性是GCr15SiMn 鋼的2~ 3 倍, 在相同硬度條件下, 等溫淬火的（de）接觸疲勞強度是常規熱處理的215 倍左右。

      采用科（kē）學的冶煉方法也（yě）能有效地提（tí）高軸承材料的性能。普通軸承鋼是在大氣中冶煉（liàn）, 鋼（gāng）中（zhōng）熔（róng）有氫、氮（dàn）、氧等有害氣體難（nán）以脫離。氫的存（cún）在, 易在鋼中形成白點, 這是產生裂紋的潛在根源（yuán）; 氮會增（zēng）加鋼的回火脆性; 由氧（yǎng）形成的氧化物硬度高, 而難變形的氧化物等非金屬夾雜（zá）物氧化鋁、氧化鐵等則是產生疲勞的起點。

      在5鐵路機車滾動軸承技（jì）術（shù）條件（jiàn）6 中已規定軸承套（tào）圈（quān）和滾（gǔn）動體應采用真空脫氣鋼。這種鋼的氧和非金屬夾雜物約減少二分（fèn）之（zhī）一。采用真空脫氣鋼的軸承（chéng）, 其疲勞壽命比（bǐ）普（pǔ）通軸承鋼高015~ 3 倍以上, 而其價格卻隻貴百分之十左右。

      1998 年以後, 開始使（shǐ）用電渣重熔鋼, 其脫氣效果雖不如真空（kōng）脫氣（qì）鋼, 但非金（jīn）屬夾雜物比後者（zhě）少, 特別是真空處理時不可能減少的硫化物減少得更顯著。電渣重熔鋼被國防科（kē）工委定為軍（jun1）甲（jiǎ）鋼, 是軍隊武器裝備使用的最好的鋼。電渣重熔（róng）鋼與真空脫（tuō）氣鋼相比, 純淨度特別（bié）高, 發紋長度在016mm 以（yǐ）下( 真空脫（tuō）氣鋼為6mm 以下) , 在（zài）鍛造、擴孔輾壓中發紋可以（yǐ）全部消失, 又稱無發紋鋼。表1 是（shì）大連鐵道學院力學實驗中心提供的不同的冶煉方法對100CrMo7 軸承鋼（gāng）衝擊韌性影響的實驗數據對比。

      由表1 中的40 件試樣的對比（bǐ）得出結論: 電渣重熔鋼試樣的Ak 值比真空脫氣鋼試樣的Ak 值提高2015%。目前, 隻有SKF 公司和我國采（cǎi）用了BGCr18Mo 的電渣重熔鋼, 世（shì）界著名（míng）的（de）德國FAG、日本KOYO、NSK 等軸承（chéng）知名廠家仍在使用GCr15 真空脫（tuō）氣鋼( 外（wài）國牌（pái）號為100Cr6) , 這說明我國軸承在材料（liào）的應用上已位於世界的前列。

6 采用貝氏（shì）體等溫淬火熱處理新工藝

     1992 年8 月份以前, 國內軸承采用的全部是GCr15 鋼的馬氏體淬火, 自1992 年（nián）9 月份開（kāi）始, 大連軸承廠（chǎng）將GCr15 鋼的貝氏體等溫淬火成功地用於機車軸承（chéng）的生產。和傳統的馬氏體淬火相（xiàng）比, 貝氏（shì）體淬火具有以下優點:

     ①貝氏體（tǐ）淬火時, 工件截麵上溫度比較均勻,基本上同時發生貝氏體轉變, 由奧氏（shì）體向下貝氏體（tǐ）轉變時, 體積膨脹較小, 因此淬火變形較小, 而淬（cuì）火表麵是殘餘壓應力, 因而不易產生淬火裂（liè）紋和磨削裂紋。

     ②貝氏體淬火（huǒ）, 衝擊韌性可以提高（gāo）30% 。

     ③ 貝氏體淬火與馬氏體淬火相比, 斷裂撓度提高了26% 。

      ④由（yóu）於貝（bèi）氏（shì）體淬火的4 小時等溫, 殘餘奧氏體含量極少( 217% 以下) , 可以（yǐ）保（bǎo）證軸承在存放或使用中, 尺寸基本不變, 因此, 貝氏體（tǐ）淬火具有良好的尺寸穩定性。

      ⑤全下貝氏體組織的（de）接觸疲（pí）勞壽命, 接近（jìn）於常規馬氏體淬火、經（jīng）160 e 回火的馬氏體組織, 而高於相同硬度的回火馬氏體組織。

      ⑥全下貝（bèi）氏體組織（zhī）的軸承（chéng）, 耐磨性和目前（qián）常規馬氏體淬火( 200 e 回火) 的鐵路軸承相當。

     由以（yǐ）上可見, 貝氏體淬火與常規馬氏體（tǐ）淬火相比, 具有高的（de）韌性, 良好的尺寸穩定性（xìng）, 優（yōu）良的抗衝擊、抗裂（liè）紋的擴（kuò）展性能。但是, GCr15 軸承鋼並不能充分發揮（huī）貝氏體淬火工藝的全部優點, 其貝氏（shì）體組織轉化技術要求相當（dāng）嚴格。1997 年6 月以後, 國內鐵路機車軸承開始采用GCr18Mo 貝氏體淬火處理, 取得了良好的效果。這兩種材料相比情況如下:

      ① GCr18Mo 是理想的貝氏體鋼, GCr15 是優良（liáng）的馬氏體淬火鋼, 以前GCr15 用於（yú）貝氏體淬火是（shì）因為國內不生產GCr18Mo, 不得不用。GCr18Mo 經貝氏體淬火很容易獲得80% 以上的下貝氏體組織（zhī）。

      ②衝擊韌性GCr18Mo 比GCr15 可提高一倍以上, 特別有（yǒu）利於高速、重載。

      ③ 彎曲強度GCr18Mo 比GCr15 提高25% 左（zuǒ）右。

7 結論

      目前國產機車軸承從材料、結構設計到熱處理工藝方麵已（yǐ）與國際（jì）先（xiān）進的SKF 軸承接（jiē）軌, 隻差塑鋼保持架的采用, 隨著德（dé）國巴斯夫、美國杜邦、日本住友等國際著名的塑鋼和玻璃纖維在中國的生（shēng）產, 塑（sù）鋼保持架的機車軸承（chéng）生產（chǎn）也為期（qī）不遠了。