摘（zhāi）要: 根據我國鐵路機車的現狀, 從結構優化、新材料的應用、加工工（gōng）藝的改進等幾個方麵（miàn）係統地闡述（shù）了提高鐵路機車軸承使用壽命（mìng）及加（jiā）強其綜合機械性能的措施。通過與國際先進（jìn）的軸承技術的全麵比較, 認為我國鐵路機車軸承在技術上已經與國際接軌。

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

1 前言（yán）

      隨著我國鐵路機車高速化的發展, 對機車軸承（chéng）的要求也越來（lái）越高。為了增強與進口軸（zhóu）承的競爭,滿足機車不斷提速（sù）的要求, 國產鐵路機車軸承在設計及（jí）工藝上都有了很大（dà）的改進。目前, SKF 軸（zhóu）承代表（biǎo）著國際領先技術, 他們提出（chū）的ECP 設計是世界一流的設計理念( E 是指加強型（xíng）設計; 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（liào）在保持架上的應用（yòng）) , 這（zhè）一（yī）理念正（zhèng）逐步被國內軸承廠家（jiā）和用戶接受並采用。下麵筆者就近幾年在這方麵的研究心（xīn）得（dé）, 簡要地從軸承的設計結（jié）構、材料及工藝幾（jǐ）個方麵介紹一（yī）下國產鐵路機車軸承（chéng）的（de）情況。

2 圓柱滾子軸承的加強型（xíng）結構

     在保持軸承外型尺（chǐ）寸不變的情況下, 采用加強型結構可大幅度地提高軸承（chéng）的額定動負荷, 延長使用壽命和改善動態性能（néng）。對於圓柱滾子軸承, 一（yī）些著名的（de）軸承（chéng）廠（chǎng）家如SKF、FAG、NSK 等均推出了加強型結構, 從而提（tí）高（gāo）了（le）軸承的承載（zǎi）能力, 降低（dī）了摩擦力矩。向心（xīn）滾子軸承額定（dìng）動負荷Cr 的計算公式為

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

     式中bm 常（cháng）用材料和加工質（zhì）量的額定係數;

f c 與（yǔ）軸承零件的幾何形狀、製造精度和材料有關的係數;

i 軸承中滾（gǔn）子的列數;

Lwe 額定載荷計算中滾子長度（dù）;

A 軸承的公稱接觸角;

Z 每列（liè）滾子的個數;

Dwe 滾子的直徑。

      軸承的外徑、內徑和寬度尺寸不能改變, 增（zēng）大Lwe和Z 也（yě）受到限製, 所以在不提高製（zhì）造精度和改變所用材質的情況下, 減薄套圈厚度而加大（dà）滾子直（zhí）徑是最有效的加強方法。例如國（guó）產的552732QT 軸箱軸承, 滾子由標準設計的U32 @ 55 加大到U34 @55 後, 滾子數目不變, 其額定動負荷即（jí）可（kě）提高10.3%, 計算壽命約可提高38.7%。

3 采用斜麵擋邊的套圈和球麵端頭的滾子

      標準的圓柱滾子軸承滾子端麵與套圈擋邊引導表麵均設計為平麵, 軸承轉動時（shí）, 兩者相互摩擦滑動, 潤滑脂易被擠（jǐ）出, 加上離心力的作用, 潤滑脂（zhī）( 油) 難以填充, 容易發熱燒損。因此, 除改善潤滑條（tiáo）件外, 還必須改變摩擦表麵（miàn）的接（jiē）觸狀態。為此,同時采取兩條措施: 其一, 把套圈擋邊作（zuò）成有5D 角（jiǎo）的微（wēi）小傾斜麵( 圖（tú）1a) ; 其二, 把滾子（zǐ）端（duān）麵加工成微小的球麵R ( 圖1b) 。這樣, 球麵端頭滾子作（zuò）用於套圈擋邊的橢圓壓力區有（yǒu）助於（yú）形成（chéng）動壓潤滑油膜, 減（jiǎn）少半（bàn）幹摩擦產生的熱量, 既能（néng）增加軸承的軸向承載能力, 又能提高軸承的運用（yòng）轉速。

      一般常用的圓柱滾子軸（zhóu）承的軸向承載能力Fa [ 0. 3Fr ( Fr 是指軸承的徑向承載能力) , 采用斜麵擋邊（biān）的套圈和球（qiú）麵端頭的滾子（zǐ）後, 可以提高到Fa= 0. 7Fr 。由於該結構的圓柱滾子軸承（chéng）既能承（chéng）受徑向力, 又能（néng）承受軸向力, 因而應用在我國內燃、電力機（jī）車的軸箱軸承上非常有（yǒu）效（xiào）, 這樣（yàng）可（kě）以節省一套（tào）專門承受軸向力的球軸承及其緩衝裝（zhuāng）置, 簡化了軸箱結構。

4 滾（gǔn）子母線采用對數型線

      標準滾子（zǐ）軸承的滾子母線（xiàn）是直線型的（de）, 工作過程中整（zhěng）個有（yǒu）效長度上都受（shòu）力（lì）, 雖然在接觸區的大部分區域上的接觸應力分布較均勻, 但在接觸區端部（bù）有突變的倒角, 會引起嚴重的邊緣效應, 導致此處產生較中心應力大（dà）數（shù）倍（bèi）的應力峰, 常常造成該處發生早期疲勞剝落, 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（zhèng）

明, 接觸應力顯著增加的那一段長度相當於滾子長度的0107~ 0. 166。為了降低應力集中和提高軸承壽命, 人們曾對滾子母線進（jìn）行了各種修（xiū）正, 先後有（yǒu）修正線凸度、弧（hú）坡凸（tū）度和對數曲線, 而對數曲線被（bèi）認為是最理想的一種曲線。

      圖2( a) 和( b) 分（fèn）別示出（chū）了各種母線形狀滾（gǔn）子的應力（lì）分布和線載荷密度對比, 通過對比（bǐ）可得（dé）出結論: 滾子的（de）對數型線具（jù）有最佳的應力分（fèn）布（bù）形狀和良好（hǎo）的糾偏載能力。

      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（shì）中

v 泊（bó）鬆比;

E 彈（dàn）性（xìng）模量;

Leff 滾子有效（xiào）長度;

W 滾子最大負

      大連軸承（chéng）廠已經成功（gōng）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（bèi）研究所提供的3MZ6260 型圓柱（zhù）( 圓錐) 滾子凸度超精研（yán）機加工對數曲線, 並在英（yīng）國泰勒爾公司生產的輪廓儀上打（dǎ）出實際曲線, 超（chāo）精研加工的對數凸度, 完全符合我們設計（jì）計（jì）算的對數型線要求。圖3 所（suǒ）示為軸箱軸承滾（gǔn）子對數曲線圖。

5 采（cǎi）用100GrMo7 電渣重熔鋼新材料

      我國（guó）軸承行業規（guī）定的鋼（gāng）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（zhí）徑大於22mm 的滾子, 規定必須采用GCr15SiMn 鋼, 因（yīn）為這一鋼（gāng）種（zhǒng）淬透性好, 表層和心（xīn）部的硬度（dù）幾乎相等, 都可在HRC60以上。但是鐵路機（jī）車上的使用經驗表明, 這樣（yàng）的硬度分（fèn）布, 對承受劇（jù）烈（liè）衝擊負荷（hé）的軸箱軸承並不合適, 內外套圈（quān）和滾子脆性大, 衝擊韌性（xìng）低, 容易發生裂損, 倒不如采用GCr15鋼為（wéi）好。GCr15 鋼淬透性差, 經適當熱處理後, 表層硬度可達HRC60~ 63, 而心部較（jiào）軟,這樣, 既能保（bǎo）證軸承有足夠的疲勞壽命與（yǔ）磨損壽命, 又具有承受（shòu）衝（chōng）擊負（fù）荷的優良性能。

      此外, 有關研（yán）究還表明, 在相（xiàng）同的回火溫度下, GCr15SiMn 鋼的殘餘（yú）奧氏體（tǐ）含量比

      GCr15 鋼高得多（duō）。GCr15 鋼經淬火和普通（tōng）回（huí）火後,殘餘奧氏體一般為百分之（zhī）十幾, 而GCr15SiMn 鋼熱處理（lǐ）後的殘餘奧氏體高達百分之二十幾。較高的殘餘奧氏體含（hán）量, 導致軸承（chéng）尺寸的不穩定, 軸箱軸承常因此產生內孔直（zhí）徑的脹（zhàng）大, 使軸承與軸（zhóu）頸的配合過盈量（liàng）得不到保證, 從而出現透鏽和弛緩現（xiàn）象。近兩年, 我國開始使用100CrMo7 貝氏體鋼, 這種鋼是SKF 公司首先采用的, 我國牌號為GCr18Mo。它的淬透性比GCr15 鋼高一（yī）倍以上, 用等溫淬火獲（huò）得的抗壓負荷能力也比用常規熱處理的GCr15 鋼高一倍多（duō）, 其（qí）衝擊韌性是GCr15SiMn 鋼的2~ 3 倍（bèi）, 在相同硬度（dù）條件下, 等溫淬火的（de）接觸疲勞強度是常規（guī）熱處理的（de）215 倍左右。

      采用科學的冶煉方法也能有效地（dì）提高軸承材料的性能。普通軸承鋼是在大氣中冶煉, 鋼中熔（róng）有氫、氮、氧等有害氣（qì）體難以脫離。氫的存在, 易在鋼中形成白點, 這是產生裂紋的潛在根源; 氮會增加鋼的回火脆性; 由氧（yǎng）形成（chéng）的氧化物硬（yìng）度高, 而難變形的氧化物等非金屬夾雜物氧化（huà）鋁、氧化鐵（tiě）等則是產生疲勞的起點。

      在5鐵路機車滾動軸承技術條件6 中已規定軸承套圈和滾（gǔn）動體應采（cǎi）用真（zhēn）空脫（tuō）氣鋼。這種鋼的氧和非金屬（shǔ）夾雜物約減少二分之一。采用真空脫氣鋼的（de）軸承, 其疲（pí）勞（láo）壽命比（bǐ）普通軸承鋼高015~ 3 倍以（yǐ）上, 而其價格卻隻貴百分之十左（zuǒ）右。

      1998 年以後, 開始使用電（diàn）渣（zhā）重（chóng）熔鋼（gāng）, 其脫氣效果雖不如真空脫氣（qì）鋼, 但非金屬夾雜物比後者少, 特別是真空處（chù）理時不（bú）可能減少的硫化（huà）物減少得更顯著。電渣重熔鋼被國防科工委定為軍甲（jiǎ）鋼（gāng）, 是軍隊武器裝備使用的最好的鋼。電（diàn）渣重熔鋼與真空脫氣鋼相比, 純淨度（dù）特別高, 發紋長度在016mm 以下( 真空（kōng）脫氣鋼為6mm 以下) , 在鍛造、擴孔輾壓（yā）中發紋可以全部消（xiāo）失, 又稱無發紋鋼。表1 是大連鐵道學院力學實驗中心提供的（de）不（bú）同的冶煉方法對100CrMo7 軸承鋼衝擊韌性影響的實驗數據對比。

      由表1 中的40 件試（shì）樣的對比得出結論: 電渣重熔鋼試樣的Ak 值比真空脫（tuō）氣鋼（gāng）試樣的Ak 值提高2015%。目前, 隻有SKF 公司和我國采用了BGCr18Mo 的電渣重熔（róng）鋼, 世界著名的德國（guó）FAG、日本KOYO、NSK 等軸承知名廠家仍在使用（yòng）GCr15 真空脫氣鋼( 外國牌號（hào）為100Cr6) , 這說明我國軸承在材料的應（yīng）用上已（yǐ）位於世界的前列。

6 采用貝氏體等溫淬火熱（rè）處理新（xīn）工藝

     1992 年8 月份以前, 國內軸承采用的全部是GCr15 鋼的馬氏（shì）體（tǐ）淬火, 自1992 年（nián）9 月份（fèn）開始（shǐ）, 大連軸承廠將GCr15 鋼的貝氏體等溫淬火成功地用於機車軸承的生產。和（hé）傳統（tǒng）的（de）馬氏體淬火相比（bǐ）, 貝氏體淬火具有以下優點:

     ①貝氏體淬（cuì）火時, 工件截麵上（shàng）溫（wēn）度比較均勻,基本上同（tóng）時發生貝氏體轉變（biàn）, 由奧氏體向下貝氏體轉變時, 體積膨脹較（jiào）小, 因此淬火變形較小, 而淬火表麵是殘餘（yú）壓應力, 因而不易產（chǎn）生淬火裂紋和磨削裂紋。

     ②貝氏體淬（cuì）火, 衝擊韌（rèn）性可以提高30% 。

     ③ 貝氏（shì）體淬火與（yǔ）馬（mǎ）氏體淬火相比, 斷裂撓度提高了26% 。

      ④由於貝（bèi）氏體淬火的4 小時等溫, 殘（cán）餘奧氏體含量極（jí）少( 217% 以下) , 可以保證軸承在存放或使用中（zhōng）, 尺寸（cùn）基本不變, 因此, 貝氏體淬火具有良好的尺寸穩定性。

      ⑤全下貝（bèi）氏體（tǐ）組織（zhī）的接觸疲勞壽命, 接（jiē）近（jìn）於常（cháng）規馬氏體淬火、經160 e 回（huí）火的馬氏體組織, 而高於相同硬度的（de）回（huí）火馬氏體組織。

      ⑥全下（xià）貝氏體組織的軸承, 耐磨性和目前常規馬氏體淬火( 200 e 回火) 的鐵路軸承相當。

     由以上可見, 貝氏體淬火（huǒ）與常規（guī）馬氏體淬火相比, 具有高的韌（rèn）性, 良好的尺寸（cùn）穩定性, 優良的抗衝擊、抗裂紋的擴展性能（néng）。但（dàn）是, GCr15 軸承鋼並不能充分發揮貝氏體淬火工藝的（de）全部優點, 其貝氏體組織轉化技術要求（qiú）相當嚴格。1997 年6 月以後, 國（guó）內鐵路（lù）機車軸承開始采用（yòng）GCr18Mo 貝氏體（tǐ）淬火處（chù）理, 取得了良好的（de）效（xiào）果（guǒ）。這兩種材料相比情況如下:

      ① GCr18Mo 是理想的（de）貝氏體鋼, GCr15 是優良的馬（mǎ）氏體（tǐ）淬火鋼, 以前GCr15 用於貝氏體淬火是因為國（guó）內（nèi）不生產GCr18Mo, 不得不用。GCr18Mo 經貝（bèi）氏體淬火很容（róng）易獲得80% 以上的下（xià）貝氏體（tǐ）組織。

      ②衝擊韌性GCr18Mo 比GCr15 可提高一倍以（yǐ）上, 特別有利於高（gāo）速、重載。

      ③ 彎曲強度GCr18Mo 比GCr15 提高25% 左右。

7 結論

      目前國產機車軸承從（cóng）材料、結（jié）構設計到熱處理（lǐ）工藝方麵已與國際先進的SKF 軸承接軌, 隻差塑鋼保持架的采用, 隨著（zhe）德國巴斯夫、美國杜邦、日本住友（yǒu）等國際著名的塑鋼和玻璃纖維在（zài）中國的（de）生產, 塑（sù）鋼保持架的機車（chē）軸承生產也為期不遠了。