延长轮对寿命,减少维护次数

2016年09月22日 13:00 CEST

在列车运行寿命期间,最大程度地减少转向架的维护次数是降低生命周期成本的关键所在。 如果将维护间隔从4年延长到6年, 每台转向架的维护费用每年可节省3000欧元。

过去十多年来,列车轮对是妨碍维护间隔延长的一个主要限制因素。 目前,通过使用计算机控制的地下车床来消除磨平点和补偿磨损,可将轮对的更换周期延长至150万公里。

列车轮对的寿命受轴承影响。 理想状况中,在保证充分润滑的前提下,轴承内的大部分部件(例如内外圈、滚子及密封件)的使用寿命,保守计算都可超出轮对的两倍。但事实上,迄今为止轮对轴承却无法完全满足延长轮对寿命的要求。 润滑是问题的关键所在。 列车轮对轴承的润滑脂寿命始终是延长转向架维护间隔的薄弱环节。

润滑脂是列车轮对轴承的重要组成部分,用于将轴承内部的金属表面彼此隔离,从而防止这些金属表面发生磨损或腐蚀。 随着时间的流逝,润滑脂性能发生变化,润滑脂中提供润滑和保护的基础油组分,会慢慢地从用于稳定基础油的增稠剂中淅出。 最终,润滑脂耗尽,必须更换。

标准火车轴承通常需要每行驶100万公里后,进行一次维护和补充润滑,期间需要将列车停运并卸下轴承。 因此轮对轴承成为轮对寿命延长主要的限制性因素。 对于运营商而言,轴承的定期维护成本高昂且非常不便,因此一直想方设法地进行避免。 但理想的情况是,轴承维护间隔需要与轮对寿命相匹配,使轮对更换和轴承维护可同时进行。

在进行了大量研发工作之后,斯凯孚的工程师们让这一梦想成为了现实。 斯凯孚的最新列车轮对轴承在进行维护之前可以运行170万公里,从而使轴承维护计划能够与即使最耐用的轮对更换计划相匹配。 斯凯孚团队通过关注影响轴承内润滑脂寿命的因素,实现了减少轮对轴承维护次数的目标。

该项研发工作从润滑脂本身开始。 斯凯孚铁路部门的高级应用工程师Jan Babka解释说:“为提高润滑脂性能并延长其使用寿命,必须对基础油从增稠剂中淅出的速度进行平衡”。 如果油脂淅出太快,润滑脂很快就会耗尽,但是如果油脂淅出太慢,淅出的油将不足以隔离金属表面”,为了找到最适用于轮对轴承的润滑脂,斯凯孚与列车行业领先的润滑脂供应商进行了密切合作。

有了一个良好的开端之后,斯凯孚团队又研究了影响润滑脂寿命的其他因素。 Babka解释说, “影响润滑脂寿命的因素有很多,包括温度、转速、轴承尺寸、清洁度、机械搅动、以及是否存在电流等。 对于列车轮对轴承而言,大多数特性取决于应用本身,但我们可以对其中的三项施加影响,即:更平滑的表面、更低的运行温度与更高的强度。”

更平滑的表面

即使轴承滚动面摸上去很光滑,它也不可能是绝对平滑的。 表面粗糙度影响磨损和摩擦的程度。 降低磨损非常重要,因为任何掉入润滑脂中的金属颗粒都会加速润滑脂氧化,从而缩短润滑脂寿命。 降低表面粗糙度引起的摩擦也非常重要,因为摩擦会造成润滑脂升温,从而缩短润滑脂寿命。 因此,斯凯孚对轮对轴承的表面精加工工艺进行了改良。

更低的运行温度

为了控制润滑脂温度,斯凯孚必须利用其在滚动轴承设计方面的丰富经验。 Babka解释说,“根据我们的经验,运行温度每增加15°C,润滑脂的使用寿命就会缩短一半。” “导致润滑脂温度升高的主要原因是轴承内部的摩擦。“ 因此,找到一种既可以降低摩擦又不会对轴承本身的强度和运行寿命产生不利影响的方法是工程师面临的一项重大挑战。

斯凯孚的工程师给出的解决方案是,对轴承几何形状进行细微改变,以优化滚子和滚道的接触长度。 接触长度很大时会提高轴承的承载能力,但同时也会增大摩擦,缩短润滑脂寿命。 因此,关键是要找到适用于轴承及其工作条件的最佳几何形状。 斯凯孚的测试证明,在正常运行工况下,典型的130x240圆锥滚子轴承单元可使滚动摩擦减小30%,温度降低10°C 。

更高的强度

为确保即使在润滑脂使用寿命快要到期时(此时磨损可能会成为一个重大问题)轴承也不会失效,斯凯孚在制造轴承套圈时采用了其获得专利的Xbite热处理工艺。 利用Xbite热处理工艺,可以获得超强贝氏体钢,其硬度与传统的马氏体钢相同,但其耐磨损性能更好且疲劳寿命更长。 此外,贝氏体钢还具有更高的耐磨性和更慢的裂纹扩展性能。

目前,斯凯孚现正在生产一系列普通尺寸的新型圆锥滚子轴承单元。 欧洲一家主要的铁路运营商已经将适用于运行速度为160-250 kph的列车的圆锥滚子轴承单元投入运行。 这是否就是列车轮对轴承技术研发的终点了呢? Babka并不这么认为, 他表示,“170万公里的运行距离是目前的行业要求,但是毫无疑问,SKF将会继续探索延长部件寿命、降低维护需求的方法。 在其它铁路应用(例如牵引电机)中,我们已经利用其他方法来延长润滑脂的寿命,例如,通过使用混合陶瓷轴承。 尽管目前来看,该项技术对于大型轴承来说成本太高,但是从长远的角度来看,我们非常有可能制造出维护周期长达300万公里的轴承。”

瑞典斯凯孚
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