摘要: 根據我（wǒ）國鐵路機車的現狀, 從結（jié）構優化、新（xīn）材料的應用、加工工藝的改（gǎi）進（jìn）等幾個方麵係統地闡述了提高鐵路機車軸（zhóu）承使（shǐ）用壽命及加（jiā）強其綜合機（jī）械性能的措施。通過與國際先進（jìn）的軸承技（jì）術的全麵比（bǐ）較, 認為我國鐵路機車軸承在技術上已（yǐ）經與國際接軌。

關鍵詞: 滾動（dòng）軸承; 滾子對數曲線; 電（diàn）渣重熔（róng）鋼; 貝氏體淬火; 加（jiā）強型; 結構; 材料

1 前言

      隨（suí）著我國鐵路機車高速化的發展, 對機車（chē）軸承的要求也越來越高（gāo）。為了增強與進口軸承的競（jìng）爭,滿足機車不斷提速的要求, 國產鐵路機車軸（zhóu）承在設計及工藝上都有了很大的改進。目前, SKF 軸承代表著國際領先技術, 他們提（tí）出的ECP 設計是世界一流的設計理（lǐ）念( E 是（shì）指加強（qiáng）型設計（jì）; C 是指采用斜麵擋邊的套圈和球麵端頭的滾子; P 是指新型材料在保持（chí）架（jià）上的應用) , 這一理念正逐步（bù）被國內軸承廠（chǎng）家和用戶接受並采用。下麵筆者就近幾年在（zài）這方麵的研究心得, 簡要地從軸承的設計結構、材料及工藝幾個方麵（miàn）介紹一下國產（chǎn）鐵路機車軸承的情況。

2 圓柱滾子軸承的加強（qiáng）型結構

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

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

     式中bm 常用材料和加工質量的額定係數;

f c 與軸承零件的幾何形狀、製（zhì）造精度（dù）和材料（liào）有（yǒu）關的（de）係數;

i 軸（zhóu）承中（zhōng）滾子的（de）列（liè）數;

Lwe 額定載荷計算中滾子長（zhǎng）度;

A 軸承的公稱接觸角;

Z 每列滾子（zǐ）的個數（shù）;

Dwe 滾子（zǐ）的直徑。

      軸承的外（wài）徑、內徑和寬度尺寸不（bú）能改變, 增大Lwe和Z 也受到限製, 所以在（zài）不提高製（zhì）造精（jīng）度（dù）和改變所用材（cái）質的情況下, 減薄套圈厚度而加大滾子直徑是（shì）最有效的加強方法。例如國產的552732QT 軸箱軸承, 滾子（zǐ）由標準設計的U32 @ 55 加大到U34 @55 後, 滾子數（shù）目不變, 其額（é）定動負荷即可（kě）提高10.3%, 計算壽命約可提高（gāo）38.7%。

3 采用斜麵擋（dǎng）邊的套圈和球麵端頭的滾子

      標準的圓柱滾子軸（zhóu）承滾子端（duān）麵與套圈擋邊引導表麵均設計為平麵, 軸（zhóu）承轉動時, 兩者相互摩擦滑動, 潤滑脂易被擠出, 加上離心力的作用, 潤滑脂( 油（yóu）) 難以填充, 容易發熱燒損（sǔn）。因此, 除改（gǎi）善潤滑條件外, 還必須改（gǎi）變摩擦表麵的接觸狀態（tài）。為此,同時采取（qǔ）兩條措施: 其一, 把套圈擋邊作成有5D 角的微（wēi）小傾斜麵( 圖1a) ; 其二, 把滾子端麵（miàn）加工成微小的球麵R ( 圖1b) 。這樣, 球（qiú）麵端（duān）頭滾子作用於套圈擋邊的橢圓壓力區有助於形（xíng）成動壓潤滑油膜, 減少半幹摩擦產（chǎn）生的熱量, 既能增加軸承的（de）軸向承載能力, 又能提高軸承的運用轉速。

      一般常用的圓（yuán）柱滾子軸承的軸向承載能力Fa [ 0. 3Fr ( Fr 是指軸（zhóu）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（tí）高到Fa= 0. 7Fr 。由於該（gāi）結構的圓柱滾子軸承既能承受徑（jìng）向力, 又能承受軸向力, 因而應用在我國內燃、電力機車的軸箱軸承上非常有效, 這樣可以節省一套專門承受軸向力的球軸承及其緩衝裝置, 簡化了軸箱結（jié）構。

4 滾子母線（xiàn）采用對數型線

      標準滾子軸承（chéng）的滾子母線是直線（xiàn）型的, 工作過程中整（zhěng）個有效長度上都受力, 雖然在接觸區的大部分區域（yù）上的接觸應力分布較均勻, 但在接觸區端部有（yǒu）突變的倒角, 會引起嚴（yán）重的邊緣效應, 導致此處產生較中心應力大數倍的應力峰, 常常造成該處發生早期疲（pí）勞剝落, 特別是受偏載時, 滾子邊緣的應力比正常狀態下的計算應力大（dà）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0107~ 0. 166。為了降低應力集中（zhōng）和（hé）提高軸承壽命, 人（rén）們（men）曾對滾子（zǐ）母線進行了各（gè）種修正, 先後有修正線（xiàn）凸度、弧坡凸度和對數曲線, 而對數曲線被認為是最理想（xiǎng）的一種曲線。

      圖2( a) 和( b) 分（fèn）別（bié）示出了各種母線形狀滾子的應力分布和線載荷密（mì）度對比, 通過對比可得出結論: 滾子的對數型線具有最佳（jiā）的應力分布形狀和良好的糾偏載（zǎi）能（néng）力。

      根據三（sān）維（wéi）有限（xiàn）長圓柱體彈性接觸理論的計算結果, 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 彈性模量;

Leff 滾子有效長度;

W 滾子最大負

      大連軸承廠已經成功地完成了滾（gǔn）子對數曲線的設計和加工（gōng）, 使用洛陽市（shì）科迪設備研（yán）究所提供的3MZ6260 型圓柱( 圓錐) 滾子凸度超精研機加工對數曲線, 並在英國泰勒（lè）爾（ěr）公司生產的輪廓儀上打出實際曲線, 超精研加工（gōng）的對數凸（tū）度, 完全符合我（wǒ）們設計計算的對數型線要（yào）求。圖3 所示為軸箱軸承滾子對數曲線圖。

5 采用（yòng）100GrMo7 電渣重熔鋼新（xīn）材料

      我國軸承（chéng）行業（yè）規定的鋼種為GCr15 鋼和GCr15SiMn 鋼。對於壁厚大於12mm 或外徑\250mm 的（de）軸（zhóu）承（chéng）套圈及直徑大（dà）於22mm 的滾子, 規定必須采用GCr15SiMn 鋼, 因為這（zhè）一（yī）鋼種淬透性好, 表層和心部的硬度幾乎相等, 都可在（zài）HRC60以上。但是（shì）鐵路機車上的（de）使用經驗表明, 這樣的（de）硬度分布, 對承受劇烈（liè）衝擊負荷的軸箱軸承並不合（hé）適, 內外套圈（quān）和滾（gǔn）子脆性大, 衝擊韌性低, 容易發（fā）生裂損, 倒不如采用GCr15鋼為好。GCr15 鋼淬透性差, 經適當熱處理後, 表層硬度可（kě）達HRC60~ 63, 而心部較軟,這樣, 既能保證（zhèng）軸承（chéng）有（yǒu）足（zú）夠的疲勞壽命與磨損（sǔn）壽命, 又具有承受衝擊負荷的優良性能。

      此外, 有關研究還表明, 在相同的（de）回火溫度下, GCr15SiMn 鋼的殘餘（yú）奧（ào）氏體含量比

      GCr15 鋼高得多。GCr15 鋼經淬火和普通回火後,殘餘奧氏（shì）體一般為百分（fèn）之十幾, 而GCr15SiMn 鋼（gāng）熱處理後的殘餘奧氏體高達（dá）百分之二十幾。較高的殘餘奧氏體含量, 導致軸承尺寸的不穩定（dìng）, 軸箱軸承常因此產生內孔直徑的脹大, 使軸承與軸頸的配（pèi）合過盈量得不到保（bǎo）證, 從而出現透鏽和弛緩現象。近兩年, 我國（guó）開始使用（yòng）100CrMo7 貝氏體鋼, 這種鋼是SKF 公司（sī）首先采用的, 我國牌號為GCr18Mo。它的淬（cuì）透性比GCr15 鋼高（gāo）一倍以上（shàng）, 用等溫淬火獲得的抗壓負荷（hé）能力也比用常（cháng）規熱處理的GCr15 鋼高一倍（bèi）多, 其衝擊韌性是GCr15SiMn 鋼的2~ 3 倍, 在相同硬度條件下, 等溫淬火的接觸疲勞強度是常規（guī）熱處理（lǐ）的215 倍左右。

      采用科學的冶煉方法也能有效地提高軸（zhóu）承材料的性能。普通軸（zhóu）承鋼是在（zài）大氣中冶煉, 鋼中熔有氫、氮、氧等有害氣（qì）體（tǐ）難以脫離（lí）。氫（qīng）的存在, 易在鋼中形成白點（diǎn）, 這是（shì）產生裂紋的潛在根（gēn）源; 氮會增加鋼的回火脆性; 由氧形成的氧化物硬（yìng）度高, 而難變形的（de）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（lù）機車滾動軸承技（jì）術條件6 中已規定軸承套圈和滾動體應（yīng）采用真空脫氣鋼。這種鋼的氧和非金屬夾雜物約減（jiǎn）少二分之一。采用真空脫（tuō）氣鋼的軸承, 其疲勞壽命比普通軸承鋼高015~ 3 倍以上, 而其價格卻隻貴百分之十左（zuǒ）右。

      1998 年以（yǐ）後, 開始使用電渣重熔鋼（gāng）, 其脫氣效果雖不如真空脫氣鋼, 但非金屬夾雜物比後者少, 特別（bié）是真空處理時不可能減少的硫化物減少得更（gèng）顯著。電渣重熔鋼被國防科工委定為軍甲鋼, 是軍隊武器裝備使用的最好的鋼。電渣重熔鋼與真空脫（tuō）氣鋼相比, 純淨度（dù）特別高, 發紋長度（dù）在016mm 以下( 真空脫氣鋼為6mm 以下) , 在鍛造、擴孔輾壓中（zhōng）發紋可以全部消失（shī）, 又稱無發紋鋼。表1 是大連鐵道學院（yuàn）力學實驗中心提供（gòng）的不同的冶煉方法對100CrMo7 軸承鋼衝擊韌性影響的實驗數（shù）據對比。

      由表1 中的40 件試樣的對比得（dé）出（chū）結論（lùn）: 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（guó）采用了（le）BGCr18Mo 的（de）電渣重（chóng）熔鋼, 世界著名的德國FAG、日本（běn）KOYO、NSK 等軸承知名廠家仍在（zài）使用（yòng）GCr15 真空脫氣鋼( 外國牌號為100Cr6) , 這說明我國軸承在材料的（de）應用上已位於世界的前（qián）列。

6 采用貝（bèi）氏體等溫淬火熱處（chù）理新工藝

     1992 年8 月份（fèn）以前, 國內軸承采用的全部是GCr15 鋼的馬氏體淬火, 自1992 年9 月份開（kāi）始, 大連軸（zhóu）承廠將GCr15 鋼的貝氏體等溫淬火成功地用於機車軸承的生產。和傳統的馬（mǎ）氏體淬火相比, 貝氏體淬火具有以下優點（diǎn）:

     ①貝氏體淬火時, 工件截麵上溫度比較均勻,基本上同時發生貝（bèi）氏體（tǐ）轉變, 由奧（ào）氏體向（xiàng）下貝氏體轉變時, 體積（jī）膨脹較小, 因此淬火（huǒ）變形較小, 而淬火表麵是（shì）殘餘壓應力, 因（yīn）而不易產生淬火裂紋和磨削裂紋。

     ②貝氏體淬火, 衝擊韌性（xìng）可以提高30% 。

     ③ 貝氏體淬火與馬氏體淬火相比, 斷（duàn）裂撓度提高了26% 。

      ④由於貝氏（shì）體淬火（huǒ）的4 小時等（děng）溫, 殘餘奧氏體含量極少( 217% 以下（xià）) , 可以保證軸（zhóu）承在存放或使用中（zhōng）, 尺寸基本不變, 因此, 貝氏（shì）體淬火具有良好的尺（chǐ）寸穩定性。

      ⑤全下貝氏體組（zǔ）織的（de）接觸疲勞壽命, 接近於（yú）常規馬氏（shì）體淬火、經160 e 回火的馬（mǎ）氏體組織（zhī）, 而高於相同硬度的回火馬氏體組織。

      ⑥全下貝氏體組織的（de）軸承, 耐磨性和目前常規馬氏體淬火( 200 e 回（huí）火) 的鐵路軸承相當。

     由以上可見, 貝氏體淬火與常規馬氏體淬火相比, 具（jù）有高的韌（rèn）性, 良好的尺寸穩定性, 優良的抗衝擊、抗裂紋的擴展性能。但（dàn）是, GCr15 軸承鋼並不能充分發揮貝氏體（tǐ）淬火工藝的全部優（yōu）點, 其貝氏體組織轉化技術要求相當嚴格。1997 年6 月以後, 國內鐵路機車軸承開始采用GCr18Mo 貝氏（shì）體淬火處理, 取得了良好的效果。這兩種（zhǒng）材料相比情況如（rú）下（xià）:

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

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

      ③ 彎曲（qǔ）強度GCr18Mo 比（bǐ）GCr15 提高25% 左右。

7 結論

      目前國（guó）產機車軸（zhóu）承從材料、結（jié）構設計到熱處理工藝方麵（miàn）已與國際先進（jìn）的SKF 軸承接（jiē）軌, 隻差塑鋼保持架的采用, 隨著（zhe）德國巴斯夫、美國杜邦（bāng）、日本住友等國際著名的塑鋼和（hé）玻璃纖維在中國的生產, 塑鋼保（bǎo）持架的機車軸承生產也為（wéi）期不遠了。