摘要: 根據(jù)我國鐵路機車的現(xiàn)狀, 從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料的應(yīng)用、加工工藝的改進等幾個方面系統(tǒng)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(shù)的全面比較, 認為我國鐵路機車軸承在技術(shù)上已經(jīng)與國際接軌。
關(guān)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(jié)構(gòu); 材料
1 前言
隨著我國鐵路機車高速化的發(fā)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(chǎn)鐵路機車軸承在設(shè)計及工藝上都有了很大的改進。目前, SKF 軸承代表著國際領(lǐng)先技術(shù), 他們提出的ECP 設(shè)計是世界一流的設(shè)計理念( E 是指加強型設(shè)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(yīng)用) , 這一理念正逐步被國內(nèi)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(shè)計結(jié)構(gòu)、材料及工藝幾個方面介紹一下國產(chǎn)鐵路機車軸承的情況。
2 圓柱滾子軸承的加強型結(jié)構(gòu)
在保持軸承外型尺寸不變的情況下, 采用加強型結(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu), 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(zhì)量的額定系數(shù);
f c 與軸承零件的幾何形狀、制造精度和材料有關(guān)的系數(shù);
i 軸承中滾子的列數(shù);
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(shù);
Dwe 滾子的直徑。
軸承的外徑、內(nèi)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(zhì)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(chǎn)的552732QT 軸箱軸承, 滾子由標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的U32 @ 55 加大到U34 @55 后, 滾子數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的圓柱滾子軸承滾子端面與套圈擋邊引導(dǎo)表面均設(shè)計為平面, 軸承轉(zhuǎn)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(fā)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(tài)。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(qū)有助于形成動壓潤滑油膜, 減少半干摩擦產(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的圓柱滾子軸承既能承受徑向力, 又能承受軸向力, 因而應(yīng)用在我國內(nèi)燃、電力機車的軸箱軸承上非常有效, 這樣可以節(jié)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(jié)構(gòu)。
4 滾子母線采用對數(shù)型線
標(biāo)準(zhǔn)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(qū)的大部分區(qū)域上的接觸應(yīng)力分布較均勻, 但在接觸區(qū)端部有突變的倒角, 會引起嚴重的邊緣效應(yīng), 導(dǎo)致此處產(chǎn)生較中心應(yīng)力大數(shù)倍的應(yīng)力峰, 常常造成該處發(fā)生早期疲勞剝落, 特別是受偏載時, 滾子邊緣的應(yīng)力比正常狀態(tài)下的計算應(yīng)力大4~ 9 倍。試驗證
明, 接觸應(yīng)力顯著增加的那一段長度相當(dāng)于滾子長度的0107~ 0. 166。為了降低應(yīng)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(shù)曲線, 而對數(shù)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(yīng)力分布和線載荷密度對比, 通過對比可得出結(jié)論: 滾子的對數(shù)型線具有最佳的應(yīng)力分布形狀和良好的糾偏載能力。
根據(jù)三維有限長圓柱體彈性接觸理論的計算結(jié)果, 已找到了滾子對數(shù)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(jīng)成功地完成了滾子對數(shù)曲線的設(shè)計和加工, 使用洛陽市科迪設(shè)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(shù)曲線, 并在英國泰勒爾公司生產(chǎn)的輪廓儀上打出實際曲線, 超精研加工的對數(shù)凸度, 完全符合我們設(shè)計計算的對數(shù)型線要求。圖3 所示為軸箱軸承滾子對數(shù)曲線圖。
5 采用100GrMo7 電渣重熔鋼新材料
我國軸承行業(yè)規(guī)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(guī)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(jīng)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(nèi)外套圈和滾子脆性大, 沖擊韌性低, 容易發(fā)生裂損, 倒不如采用GCr15鋼為好。GCr15 鋼淬透性差, 經(jīng)適當(dāng)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(yōu)良性能。
此外, 有關(guān)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(jīng)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(dǎo)致軸承尺寸的不穩(wěn)定, 軸箱軸承常因此產(chǎn)生內(nèi)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(xiàn)透銹和弛緩現(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 鋼高一倍以上, 用等溫淬火獲得的抗壓負荷能力也比用常規(guī)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(guī)熱處理的215 倍左右。
采用科學(xué)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(chǎn)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(chǎn)生疲勞的起點。
在5鐵路機車滾動軸承技術(shù)條件6 中已規(guī)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(fā)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(fā)紋可以全部消失, 又稱無發(fā)紋鋼。表1 是大連鐵道學(xué)院力學(xué)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(shù)據(jù)對比。
由表1 中的40 件試樣的對比得出結(jié)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(yīng)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(nèi)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(chǎn)。和傳統(tǒng)的馬氏體淬火相比, 貝氏體淬火具有以下優(yōu)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(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變, 由奧氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)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(yīng)力, 因而不易產(chǎn)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(wěn)定性。
⑤全下貝氏體組織的接觸疲勞壽命, 接近于常規(guī)馬氏體淬火、經(jīng)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(guī)馬氏體淬火( 200 e 回火) 的鐵路軸承相當(dāng)。
由以上可見, 貝氏體淬火與常規(guī)馬氏體淬火相比, 具有高的韌性, 良好的尺寸穩(wěn)定性, 優(yōu)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(fā)揮貝氏體淬火工藝的全部優(yōu)點, 其貝氏體組織轉(zhuǎn)化技術(shù)要求相當(dāng)嚴格。1997 年6 月以后, 國內(nèi)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(yōu)良的馬氏體淬火鋼, 以前GCr15 用于貝氏體淬火是因為國內(nèi)不生產(chǎn)GCr18Mo, 不得不用。GCr18Mo 經(jīng)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(jié)論
目前國產(chǎn)機車軸承從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn), 塑鋼保持架的機車軸承生產(chǎn)也為期不遠了。
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