摘要: 根據我國鐵路機車的現狀, 從結構優化、新材料的應用、加工工藝的改進等幾個方面系統地闡述了提高鐵路機車軸承使用壽命及加強其綜合機械性能的措施。通過與國際先進的軸承技術的全面比較, 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; 滾子對數曲線; 電渣重熔鋼; 貝氏體淬火; 加強型; 結構; 材料
1 前言
隨著我國鐵路機車高速化的發展, 對機車軸承的要求也越來越高。為了增強與進口軸承的競爭,滿足機車不斷提速的要求, 國產鐵路機車軸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, 他們提出的ECP 設計是世界一流的設計理念( E 是指加強型設計; C 是指采用斜面擋邊的套圈和球面端頭的滾子; P 是指新型材料在保持架上的應用) , 這一理念正逐步被國內軸承廠家和用戶接受并采用。下面筆者就近幾年在這方面的研究心得, 簡要地從軸承的設計結構、材料及工藝幾個方面介紹一下國產鐵路機車軸承的情況。
2 圓柱滾子軸承的加強型結構
在保持軸承外型尺寸不變的情況下, 采用加強型結構可大幅度地提高軸承的額定動負荷, 延長使用壽命和改善動態性能。對于圓柱滾子軸承, 一些著名的軸承廠家如SKF、FAG、NSK 等均推出了加強型結構, 從而提高了軸承的承載能力, 降低了摩擦力矩。向心滾子軸承額定動負荷Cr 的計算公式為
Cr = bmf c ( iLwe cosA) 7/ 9Z3/ 4Dwe29/ 27 ( N)
式中bm 常用材料和加工質量的額定系數;
f c 與軸承零件的幾何形狀、制造精度和材料有關的系數;
i 軸承中滾子的列數;
Lwe 額定載荷計算中滾子長度;
A 軸承的公稱接觸角;
Z 每列滾子的個數;
Dwe 滾子的直徑。
軸承的外徑、內徑和寬度尺寸不能改變, 增大Lwe和Z 也受到限制, 所以在不提高制造精度和改變所用材質的情況下, 減薄套圈厚度而加大滾子直徑是最有效的加強方法。例如國產的552732QT 軸箱軸承, 滾子由標準設計的U32 @ 55 加大到U34 @55 后, 滾子數目不變, 其額定動負荷即可提高10.3%, 計算壽命約可提高38.7%。
3 采用斜面擋邊的套圈和球面端頭的滾子
標準的圓柱滾子軸承滾子端面與套圈擋邊引導表面均設計為平面, 軸承轉動時, 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) 難以填充, 容易發熱燒損。因此, 除改善潤滑條件外, 還必須改變摩擦表面的接觸狀態。為此,同時采取兩條措施: 其一, 把套圈擋邊作成有5D 角的微小傾斜面( 圖1a) ; 其二, 把滾子端面加工成微小的球面R ( 圖1b) 。這樣, 球面端頭滾子作用于套圈擋邊的橢圓壓力區有助于形成動壓潤滑油膜, 減少半干摩擦產生的熱量, 既能增加軸承的軸向承載能力, 又能提高軸承的運用轉速。
一般常用的圓柱滾子軸承的軸向承載能力Fa [ 0. 3Fr ( Fr 是指軸承的徑向承載能力) , 采用斜面擋邊的套圈和球面端頭的滾子后, 可以提高到Fa= 0. 7Fr 。由于該結構的圓柱滾子軸承既能承受徑向力, 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沖裝置, 簡化了軸箱結構。
4 滾子母線采用對數型線
標準滾子軸承的滾子母線是直線型的, 工作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觸應力分布較均勻, 但在接觸區端部有突變的倒角, 會引起嚴重的邊緣效應, 導致此處產生較中心應力大數倍的應力峰, 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4~ 9 倍。試驗證
明, 接觸應力顯著增加的那一段長度相當于滾子長度的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行了各種修正, 先后有修正線凸度、弧坡凸度和對數曲線, 而對數曲線被認為是最理想的一種曲線。
圖2( a) 和( b) 分別示出了各種母線形狀滾子的應力分布和線載荷密度對比, 通過對比可得出結論: 滾子的對數型線具有最佳的應力分布形狀和良好的糾偏載能力。
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 泊松比;
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子對數曲線的設計和加工, 使用洛陽市科迪設備研究所提供的3MZ6260 型圓柱( 圓錐) 滾子凸度超精研機加工對數曲線, 并在英國泰勒爾公司生產的輪廓儀上打出實際曲線, 超精研加工的對數凸度, 完全符合我們設計計算的對數型線要求。圖3 所示為軸箱軸承滾子對數曲線圖。
5 采用100GrMo7 電渣重熔鋼新材料
我國軸承行業規定的鋼種為GCr15 鋼和GCr15SiMn 鋼。對于壁厚大于12mm 或外徑\250mm 的軸承套圈及直徑大于22mm 的滾子, 規定必須采用GCr15SiMn 鋼, 因為這一鋼種淬透性好, 表層和心部的硬度幾乎相等, 都可在HRC60以上。但是鐵路機車上的使用經驗表明, 這樣的硬度分布, 對承受劇烈沖擊負荷的軸箱軸承并不合適, 內外套圈和滾子脆性大, 沖擊韌性低, 容易發生裂損, 倒不如采用GCr15鋼為好。GCr15 鋼淬透性差, 經適當熱處理后, 表層硬度可達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, 又具有承受沖擊負荷的優良性能。
此外, 有關研究還表明, 在相同的回火溫度下, GCr15SiMn 鋼的殘余奧氏體含量比
GCr15 鋼高得多。GCr15 鋼經淬火和普通回火后,殘余奧氏體一般為百分之十幾, 而GCr15SiMn 鋼熱處理后的殘余奧氏體高達百分之二十幾。較高的殘余奧氏體含量, 導致軸承尺寸的不穩定, 軸箱軸承常因此產生內孔直徑的脹大, 使軸承與軸頸的配合過盈量得不到保證, 從而出現透銹和弛緩現象。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 鋼高一倍以上, 用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, 其沖擊韌性是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熱處理的215 倍左右。
采用科學的冶煉方法也能有效地提高軸承材料的性能。普通軸承鋼是在大氣中冶煉, 鋼中熔有氫、氮、氧等有害氣體難以脫離。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; 由氧形成的氧化物硬度高, 而難變形的氧化物等非金屬夾雜物氧化鋁、氧化鐵等則是產生疲勞的起點。
在5鐵路機車滾動軸承技術條件6 中已規定軸承套圈和滾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之一。采用真空脫氣鋼的軸承, 其疲勞壽命比普通軸承鋼高015~ 3 倍以上, 而其價格卻只貴百分之十左右。
1998 年以后, 開始使用電渣重熔鋼, 其脫氣效果雖不如真空脫氣鋼, 但非金屬夾雜物比后者少, 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氣鋼相比, 純凈度特別高, 發紋長度在016mm 以下( 真空脫氣鋼為6mm 以下) , 在鍛造、擴孔輾壓中發紋可以全部消失, 又稱無發紋鋼。表1 是大連鐵道學院力學實驗中心提供的不同的冶煉方法對100CrMo7 軸承鋼沖擊韌性影響的實驗數據對比。
由表1 中的40 件試樣的對比得出結論: 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, 只有SKF 公司和我國采用了BGCr18Mo 的電渣重熔鋼, 世界著名的德國FAG、日本KOYO、NSK 等軸承知名廠家仍在使用GCr15 真空脫氣鋼( 外國牌號為100Cr6) , 這說明我國軸承在材料的應用上已位于世界的前列。
6 采用貝氏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9 月份開始, 大連軸承廠將GCr15 鋼的貝氏體等溫淬火成功地用于機車軸承的生產。和傳統的馬氏體淬火相比, 貝氏體淬火具有以下優點:
①貝氏體淬火時, 工件截面上溫度比較均勻,基本上同時發生貝氏體轉變, 由奧氏體向下貝氏體轉變時, 體積膨脹較小, 因此淬火變形較小, 而淬火表面是殘余壓應力, 因而不易產生淬火裂紋和磨削裂紋。
②貝氏體淬火, 沖擊韌性可以提高30% 。
③ 貝氏體淬火與馬氏體淬火相比, 斷裂撓度提高了26% 。
④由于貝氏體淬火的4 小時等溫, 殘余奧氏體含量極少( 217% 以下) , 可以保證軸承在存放或使用中, 尺寸基本不變, 因此, 貝氏體淬火具有良好的尺寸穩定性。
⑤全下貝氏體組織的接觸疲勞壽命, 接近于常規馬氏體淬火、經160 e 回火的馬氏體組織, 而高于相同硬度的回火馬氏體組織。
⑥全下貝氏體組織的軸承, 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, 貝氏體淬火與常規馬氏體淬火相比, 具有高的韌性, 良好的尺寸穩定性, 優良的抗沖擊、抗裂紋的擴展性能。但是, GCr15 軸承鋼并不能充分發揮貝氏體淬火工藝的全部優點, 其貝氏體組織轉化技術要求相當嚴格。1997 年6 月以后, 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 是優良的馬氏體淬火鋼, 以前GCr15 用于貝氏體淬火是因為國內不生產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。
②沖擊韌性GCr18Mo 比GCr15 可提高一倍以上, 特別有利于高速、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材料、結構設計到熱處理工藝方面已與國際先進的SKF 軸承接軌, 只差塑鋼保持架的采用, 隨著德國巴斯夫、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產, 塑鋼保持架的機車軸承生產也為期不遠了。
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