铁道车辆用轴承润滑技术

 

电动车牵引电动机的转矩通过联轴节传递到齿轮装置的小齿轮上,再由小齿轮传递到压装在车轴上的大齿轮上,最后成为轮轨间的驱动力及制动力。牵引电动机及齿轮机构的旋转装置中使用的轴承很重要。牵引电动机/齿轮装置间的联轴节方式各不相同,图3为平行万向联轴节式驱动装置的典型实例,表示其轴承位置。窄轨线路上运行的电动车,由于转向架空间的关系,可使用挠性板联轴节;而在轨距较宽的线路上运行的新干线电动车使用了齿轮联轴节。最近,由于牵引电动机的紧凑化,连既有线电动车也采用了短距离内产生必要挠性位移的CFRP板联轴节。

 

 

电动车牵引电动机用轴承承受由转子轴及联轴节的质量产生的径向载荷,进行高dmN值(轴承滚动体的节圆直径与旋转速度的积)的旋转,并且频繁而交替地运转、停止。由于运行时转向架振动的影响,轴承承受动载荷,由于静态质量相对较小,牵引电动机用轴承的计算寿命,比车轴用轴承及齿轮装置用轴承的寿命长很多。通常,这类轴承型式是,齿轮侧使用圆柱滚动承;与齿轮相反的另一侧采用深槽滚珠轴承,它兼具支承转子轴轴向运动的作用,采用润滑脂润滑。近年来的新型电动车安装了VVVF控制的交流电动机,其电机实现了轻量化、紧凑化,且保持高速运转。图4表示有关新干线与既有线电动车运营的最高速度与牵引电动机轴承(齿轮侧)的dmN值的关系。新干线与既有线车辆牵引电动机用轴承的dmN值基本上相

 

同,而相对应的大、小齿轮间的传动比:新干线电动车大致为2～3;而既有线电动车大致为4～7,后者是前者的2倍。因此,车辆运行一定距离时的轴承累计旋转数,既有线电动车是新干线电动车的2倍左右。

 

采用交流电动机时,为处理轴承的高速旋转与牵引电动机各部件的温度上升问题,在提高轴承及润滑脂的耐热性、耐久性上下了功夫。通常,直流电动机采用了锂基润滑脂润滑,它是一般旋转机械轴承用的一种润滑脂。随着牵引电动机采用交流电动机,以提高耐热性、耐久性为目标,开发了复合锂基皂性润滑脂,广泛应用于以300系新干线电动车为首的采用了交流电动机的车辆上,在采用了交流电动机的新型既有线电动车辆牵引电动机上,也广泛应用了这种润滑脂。在轴承方面,由于改变保持架导向方式,减少了润滑脂的老化;通过轴承绝缘防止电蚀;通过尺寸稳定化热处理的应用,抑制了轴承尺寸的变化。保持架是高精度地维持滚动体旋转运动的轴承零件,而其自身的旋转导向有沿外圈内径面进行导向的方式(外圈导向)和利用滚动体(滚子)的滚动面进行导向(滚动体导向)的方式。外圈导向时的保持架,由于与外圈内径面之间形成滑动接触,如因润滑脂老化及产生电蚀等导致润滑性能降低,则保持架导向面及外圈内径面易引起磨耗。而滚动体导向方式由于与滚动面的滑动接触,更容易确保油润,即使润滑条件降低的情形下,也有利于防止润滑脂老化,加上保持架制造技术的进步及成本降低等效果,最近,牵引电动机轴承正在使用滚动体导向的保持架。为防止电蚀,采取了各种对策,也提高了效果,确认轴承的绝缘是最有效的方法。轴承的绝缘处理有对外圈外径面及端面被覆以氧化铝为主要成分的陶瓷及PPS树脂(聚苯硫醚)等绝缘物的方法。陶瓷采用喷镀法,PPS采用注射成型法被覆在外圈外径面,被覆层粘附牢固(图5)。

 

陶瓷被覆的绝缘轴承首先应用于300系新干线主电动机轴承,并扩大应用于其他新干线电动车上。PPS的缺陷是韧性稍为不足,但其具有耐热性及尺寸稳定性,成型加工性能也好。成型时添加玻璃纤维以改善韧性。表1是氧化铝陶瓷与PPS物理性质的比较。在热力性质、机械性质及绝缘破坏特性等物理性质方面,氧化铝陶瓷优于PPS树脂,但是,PPS虽稍微逊色,实际应用上并无问题,况且由于成本方面的优势,PPS树脂被覆的绝缘轴承,最先应用于以JR东日本公司E209系的电动车上,并大量应用于安装了交流电动机的新型既有线电动车上。

 

开发绝缘轴承时,不仅针对轴承旋转所必需的特性进行了试验,而且进行了与轴箱的分解组装试验,还设定了轴承的药液清洗,进行了液体浸渍试验等一系列从维修方面考虑的评价试验。

 

 

300系新干线电动车以交流电动机的应用为契机,为替代以往的分解检查法,进行了主要以轴承部分为对象的牵引电动机的非分解检查法的开发。对于运行到检查周期距离的车辆用牵引电动机,在完全非分解状态下实施轴承有无异常的检测,及对再使用轴承的润滑脂清洗并重新填充润滑脂等。轴承是否有异常的检测是通过对轴承的振动法及采用了荧光X射线的润滑脂的现场(就地)分析来进行的,采用组合了高温、高压水及真空吸引的装置实施润滑脂的清洗。

 

 

齿轮装置用轴承,大齿轮及小齿轮均用1对的单列圆锥滚动轴承,小齿轮轴承由牵引电动机侧与车轮侧的正面组合构成;大齿轮轴承由于联轴节不同,有背面组合与正面组合。齿轮装置的轴承作用是,作为支承机构,一方面承受运行时的振动,一方面将旋转力平稳地传递到车轴上。它是在严格条件下使用的一种轴承,包含了振动条件的载荷与转速是轴承的主要设计依据,其润滑采用80号或90号齿轮油油浴润滑。作为轴承载荷,可按齿轮装置额定转矩工况下,对以考虑了动载荷系数的齿轮啮合反力,和运行时的振动加速度为前提的小齿轮轴和齿轮(变速)箱的惯性力为主要载荷要素,以齿轮变速箱的尺寸要素为基础,求出轴向及径向的轴承载荷。近年来,300系以后的新干线电动车齿轮箱由以往的铸钢材料改为铝合金(JISAC4C)材,结果表明,实现了小型化,其质量为以往的?.左右,减轻了簧下质量,从而有利于降低轴承载荷。最近,新干线电动车轴承的尺寸随着转向架零部件的轻量化正在实现小型化。

 

圆锥滚动轴承由于内圈大挡边与圆锥滚子的大端面形成滚动、滑动接触,接触点的表面压力与滑动速度V的积即PV值,作为对于发生热胶着及咬伤限界的一种目标。图7表示关于最近新干线和既有线电动车齿轮装置的PV值分布。图7中各曲线对应于具体的车辆,这里所谓的额定运转速度,如用各车辆的最高运行速度的比例表示,停车次数多的既有线电动车大致为37%～66%;而新干线电动车大致相当于55%～74%的速度范围。另外,P的值以不包含振动、冲击等动态载荷为前提。新干线电动车与既有线电动车之间表面压力及接触点的滑动速度看来存在若干差异,但是如用PV值来看则无大的差异。

 

 

齿轮装置用轴承尤其是小齿轮轴承,受到车辆运行时振动的影响,保持架各部分产生各种高频交变应力。特别是新干线电动车高速化时,确保保持架的疲劳强度的可靠性是技术课题。采用提高保持架的板厚,以增强刚性,降低应力,以及利用保持架表面施行软氮化处理,以提高耐磨性,同时提高疲劳强度的方法等,显著改善了保持架的疲劳强度。

 

具有高速、连续运转特征的新干线电动车齿轮装置,由于润滑油的搅拌,温度上升较高,为了防止长时间使用下因内圈内径尺寸的增大引起轴承内圈的蠕动,轴承内圈一般施行尺寸稳定化热处理。既有线电动车的小齿轮轴承有出现内圈挡边烧伤的情形,这是由于图6所示内圈的大挡边面与滚子端面间的滚动、滑动接触部的油膜破裂(断油)产生的现象,但与前述的PV值之间的直接关系并不密切。传动比大的既有线电动车起动时齿轮高加速旋转,由于快速的温度上升,容易导致轴承轴向间隙减小,内圈大挡边面与滚子端面的摩擦表面上,有产生油膜破裂的情形。通常运转时并不会产生什么问题,但是在冬季起动时,由于室外温度低,润滑油粘度高,有润滑油难以巡回的现象。对于内圈挡边烧伤,着眼于加大轴承轴向间隙管理值的下限,改善齿轮箱内的润滑结构,对于寒冷地区,适当降低润滑油粘度等。此外,可在轴承设计方面予以改进,采取使内圈大挡边与滚子大端面的接触处移动到旋转中心,降低接触点的滑动速度和改善接触面的表面粗糙度等措施,来防止内圈挡边的烧伤。

 

 

铁道车辆用轴承在适应于各个时期的需求中获得发展,今后的课题是,为实现更长时间的免维修,更正确地掌握以实际承受载荷为首的使用条件,另外,现在轴承材料显著进步,在提高滚动疲劳强度措施方面,从滚子与挡边或保持架等滑动接触部分的摩擦学方面进行研究是至关重要的课题。