摘（zhāi）　要：介（jiè）紹（shào）了鐵道車輛車（chē）軸、牽引電（diàn）動機、齒輪裝置用軸承及其潤滑技術的現狀（zhuàng）和新技術動向，並提出了提高軸承性能的對策。
　　Z近的鐵（tiě）道車輛用車軸、牽（qiān）引電動（dòng）機及齒輪裝（zhuāng）置用軸（zhóu）承，要求實現高速化、輕量化（huà）及緊湊化，以提高性能，同（tóng）時，在（zài）軸承維修方麵，迫切要求延長分解檢查（chá）周期，延長工作壽（shòu）命。下麵介紹在（zài）上述背景下，鐵（tiě）道車輛用軸承及（jí）其（qí）潤滑技術的新動向。
　　1　車軸軸承
　　1.1車軸軸承所要求的功能
　　車軸軸承除了承受由車輛質（zhì）量及裝載質量構成（chéng）的（de）靜態、動態徑向載荷（hé）外，還（hái）要承（chéng）受軸向非恒定的推力。軸承是走行裝置中的一個零（líng）部件，因而其故障對於車（chē）輛運行產生重大影響。因此，長期以來（lái），在軸承結構的選擇、設計製造（zào）方麵進行了周密考慮。車軸（zhóu）軸承在（zài）適（shì）應各個時（shí）期車輛的（de）需要中得到了發展，而Z近要（yào）求車軸軸（zhóu）承高（gāo）速化、輕（qīng）量化、免維修化。
　　關於（yú）新幹線（xiàn）的提速（sù），從1992年JR東海公司300係新幹線電動車組開始，以Z高速度270km/h運營，1997年JR西日本公司采用500係新幹線電動（dòng）車（chē）組開始速度300km/h的運營。即使是既有線（xiàn）車（chē）輛，1989年JR東（dōng）日本公司651係特快電動車組也首次開始130km/h的運營。以後（hòu），JR各公司競相（xiàng）在既有線上進行了列車提速。在上述（shù）的列車提速中車軸（zhóu）軸承在結構上取（qǔ）得了新的發展。
　　第二個重要條件是輕量化，特別是列車高速化時迫切要求車輛自身的輕量化。車（chē）輛的輕（qīng）量化關係到節能，同時是為減輕（qīng）對軌道影響的必要條件。另外，降低簧下質（zhì）量及簧（huáng）間質（zhì）量(軸（zhóu）彈簧與空氣彈簧間的質量（liàng）)，可認為有利於高速運行時（shí）的穩定性，從而也要求車軸軸（zhóu）承輕量化。
　　尤其是Z近以來，根據鐵道公司經營上的理念，迫切要求（qiú）免維修化，根據運輸省命令規定，日本鐵道車輛按（àn）照指定的運行裏程或運行時間施（shī）行檢查或修（xiū）理。Z近，延長車輛檢修周（zhōu）期成為發展方（fāng）向（xiàng）。例如，新幹線檢修車輛的全麵檢查，目前是不滿90萬km或運行不滿3年；而21世紀初期目標是延長到運行120萬km。目前，車軸軸承在轉向架檢查周期中施行檢修，但將（jiāng）來要求運行120萬km免維修。
　　1.2車軸軸承結構的發（fā）展（zhǎn）
　　如上所述，在車軸軸承上間歇地作（zuò）用有軸向載荷即（jí）完全承（chéng）受推力，這是結構上（shàng）的特點。長（zhǎng）期以來，日本（běn）廣泛采用圓柱滾動軸承受徑向載荷，用深槽（cáo）滾珠軸（zhóu）承承受推力（lì）的軸（zhóu）承結構，推力的（de）緩衝則采用（yòng）了橡（xiàng）膠或碟形彈簧。即（jí）使是1964年開通（tōng）的新幹線0係電動（dòng）車組，也采用（yòng）了這種結構(圖1)。當時，由於列車在世界上首次超過200km/h運營（yíng），采用真空（kōng）精（jīng）煉（liàn）鋼材作為滾子材料；保持架是黃銅製無鉚釘結構，車軸軸承首次采用油浴潤滑(渦輪機油)替代（dài）潤滑脂等，結構上對高速運行時的可靠性進（jìn）行了周密考慮，該類軸承在以後超（chāo）過30年（nián）的時間內（nèi），對於新（xīn）幹線的安全運（yùn）行作出了貢獻。 　　20世紀50年代後半期，日本國鐵在貨車上（shàng）首次采用了用內、外圈的擋邊承受軸向載荷的帶擋（dǎng）邊的圓柱滾動（dòng）軸（zhóu）承，20世紀70年代以後（hòu），已（yǐ）廣泛用於既有線的電動車輛上。這種結構由於用擋邊承受推力，起初認（rèn）為在高速域承載能力（lì）有問題，但通過在（zài）擋邊角度及滾柱端麵曲率等軸承的（de）設計方麵下功夫，並且通過提高加工（gōng）精度，解決了問題，在（zài）既有線車輛上積累了（le）較多的運用實績。因此，在1992年開始以270km/h運營的新幹線300係“希（xī）望”號車輛上，基於輕量化的（de）目的，采（cǎi）用了這種軸承。300係車輛還采用將軸箱用鋁合金(JIS AC4C)替代以往（wǎng）的鑄鋼等措施，進一步實現（xiàn）了輕量化，這種軸承仍沿用油浴潤（rùn）滑。
　　1989年（nián）首次在既有線上達到130km/h運行速度的651係特快電動車組上，采用了潤滑脂潤滑密封型（xíng）圓錐滾動軸承。圓（yuán）錐滾（gǔn）動軸承滾道表麵可承受徑向（xiàng）載荷與軸向載荷，能實現較緊湊的設計，從而使軸承輕量化。另外，采用潤滑（huá）脂潤滑（huá）密封形式（shì），可望實現免維修，而且這類軸承可減小軸向間隙，從而有利於運行穩定性（xìng）。
　　由於（yú）有以上的（de）優點（diǎn），1990年以後（hòu），JR各（gè）公司（sī）新造的既有線電動車（chē）組、內燃動車組上基本采用了潤滑脂潤滑（huá）密封型圓錐滾動軸承。即使（shǐ）是新幹線電動車輛，1997年開始以300km/h運（yùn）營的500係車輛（liàng）上也采用了潤滑脂潤滑密封型圓錐滾動軸承(圖2)。以後，JR東日本公司的（de）E2係、E4係編組列車上也采用了同（tóng）樣結構的軸承，而JR東海公司的700係車輛正在采用油浴潤滑的圓錐滾動（dòng）軸（zhóu）承。 　　1.3車軸軸承的（de）壽命與維修（xiū）
　　車軸軸（zhóu）承是考慮直至滾（gǔn）子、滾（gǔn）道表麵（miàn）發生剝離的壽命（mìng）進行設計的。關於維修，新幹線電動車組轉向（xiàng）架檢查(運行不滿1年或45萬km)及全麵檢查（chá）(運行不滿3年或90萬km)，既有線電動車組重要部位檢查(運行不滿4年（nián）或60萬km)及全麵檢查(運行不滿8年)時，車軸軸承（chéng）進（jìn）行分解檢查，同時，對新幹線達到運行一定裏程(300萬km)或年數(6年～7年)，就有計（jì）劃地進（jìn）行更換。迄今為止的實績，沒有由於產生剝離的（de）情況而更換軸（zhóu）承，由於電蝕而更換軸承（chéng）的情況較多。在（zài）檢查階段也有一（yī）些一經確認有壓（yā）痕、傷痕等而更換軸承的情況，計劃更（gèng）換（huàn）的比（bǐ）例占了大多數。
　　潤（rùn）滑脂密（mì）封（fēng）型圓錐滾動軸承的潤（rùn）滑脂與密封的壽命成為關鍵問題。目前，新幹線（xiàn）車輛每次轉向架（jià）檢查中都進行車軸軸承檢（jiǎn）修，但在既有線車輛（liàng）中，到全（quán）麵檢查輪徑到達（dá）限度值(運行平均為100萬km左右)前，不取出密封型車軸軸承作檢查，從而，至關重要的問題是確保潤滑脂與密封Z短也（yě）要達到上（shàng）述的壽命。
　　2　牽引電動機用軸承
　　電動（dòng）車（chē）牽引電動機的轉矩通過聯軸節傳遞到齒輪裝置的小齒輪上，再由小齒輪傳遞到壓裝在車軸上的大（dà）齒輪上，Z後成為輪軌間的驅動力及製動力。牽引電動機及（jí）齒輪機構（gòu）的旋轉裝置中使用的軸承很（hěn）重要。牽引（yǐn）電動機/齒輪裝置間的聯軸節方（fāng）式（shì）各不相同，圖3為平行萬向聯軸節式驅動裝置的典型實（shí）例，表示其軸（zhóu）承位置（zhì）。窄軌線路上運行的電動車，由於轉向架空間的關係，可（kě）使用撓性板聯軸節；而在軌距較寬的線路上運行的新幹線電（diàn）動車使用了齒輪聯軸節。Z近，由於牽引電（diàn）動機（jī）的緊湊化，連既有線電動車也采用了短距離內產生必（bì）要撓性位移（yí）的CFRP板聯軸節。 　　2.1牽引電動（dòng）機用（yòng）軸承功能
　　電動車牽引電動（dòng）機用軸承（chéng）承受由轉子軸及（jí）聯（lián）軸節的質量（liàng）產生的徑向載荷，進行高dmN值(軸承滾動體的節圓直徑與旋轉速度的積（jī）)的旋轉，並且頻繁而交替地運轉、停止（zhǐ）。由於運行時轉向架振動的影響，軸承承受動載荷，由（yóu）於靜態質量相對較小，牽引電動機用軸承的計算壽命，比車（chē）軸用軸承及齒輪裝置用軸承的壽命長很多。通常，這類軸承型式是，齒輪側（cè）使用（yòng）圓（yuán）柱滾動承;與齒輪相反的另一側采用深槽滾珠軸承，它兼具支承轉子軸軸向運動的作用，采用潤滑脂潤滑。近年來的新型（xíng）電動車安裝了VVVF控製的交流電動機，其電機實現了輕量（liàng）化（huà）、緊湊化，且保持高速運轉（zhuǎn）。圖4表示有（yǒu）關新（xīn）幹線與既有線電動車運營（yíng）的Z高速度與牽引電（diàn）動機軸承（chéng）(齒輪側（cè）)的dmN值的關係。新幹線與既有線車輛（liàng）牽引電動機用軸承的dmN值基本上相同，而相（xiàng）對應的大、小齒輪間的傳動比：新幹線電動車大致為2～3;而既（jì）有線電動車大致為4～7，後者是前者的2倍。因此，車輛運行一定距離時的軸承累計旋轉（zhuǎn）數，既有線電動車（chē）是新幹線電動車的2倍左右（yòu）。 　　采用交流電動機時，為處理軸承的高速（sù）旋轉與（yǔ）牽引電動機各部件的溫度上升問題，在提高（gāo）軸承及潤（rùn）滑脂的耐熱性、耐久性上下了功夫。通常（cháng），直流電動機（jī）采用了鋰基潤滑脂潤滑，它是一般旋轉機械軸承用的一種（zhǒng）潤滑脂。隨（suí）著牽引電動機采用交流電動機，以提高耐熱性、耐久性為目標，開發了複合鋰基皂性潤（rùn）滑脂，廣泛應用於以300係新幹線電動車（chē）為首的采用了交流電動機的（de）車輛上，在采用了交流電（diàn）動（dòng）機的（de）新型既有線電動車輛（liàng）牽引電動機上，也廣泛應用了這種潤滑脂。在軸（zhóu）承方麵，由（yóu）於改變保持架（jià）導向方式，減少了潤滑脂的老化；通過軸承絕緣防止電蝕；通過尺寸穩定化熱處理的應用，抑製了軸承尺（chǐ）寸的變化。保持架是高精度地（dì）維持滾動體旋轉運動的軸承零件，而其自身的旋轉導（dǎo）向有沿（yán）外圈內徑麵進行導向的方式(外圈導向)和利用滾（gǔn）動體(滾子)的滾動麵進（jìn）行導向(滾（gǔn）動體導向)的方式。外（wài）圈導向（xiàng）時的保持架，由於與外圈內徑麵之間形成滑動接觸，如因潤滑脂老（lǎo）化（huà）及（jí）產生電蝕（shí）等導致潤（rùn）滑性能降低（dī），則保持架（jià）導向麵（miàn）及外圈內徑麵易引起磨耗。而滾動體導向方式（shì）由於（yú）與滾動（dòng）麵的滑動接觸，更容易確保油潤，即使潤滑條件降低的情形（xíng）下，也有利於防止潤滑脂老化，加上保持架製（zhì）造（zào）技術的進（jìn）步及成本降低等效果，Z近，牽引電動機軸承正在使用滾動體導向的保持架。為防止電蝕，采取了各種對策，也提（tí）高了效果（guǒ），確認軸承的絕（jué）緣是Z有效的方法（fǎ）。軸承的絕緣處理有對外圈外徑麵及端麵被覆以氧化鋁為主要成（chéng）分（fèn）的陶瓷及PPS樹脂（zhī）(聚苯硫醚)等絕緣物的方法。陶瓷采用噴鍍法，PPS采用注射成型法被覆在外圈（quān）外徑麵，被覆層粘附牢固(圖5)。 　　陶瓷被覆的絕緣軸承首先應用於300係新幹線主（zhǔ）電動（dòng）機軸承，並擴大應用（yòng）於其他（tā）新幹線電（diàn）動車上。PPS的缺陷是韌性稍為（wéi）不足，但其（qí）具有耐熱性（xìng）及尺寸穩定性，成（chéng）型加工性能也好。成型時添加玻璃纖維以改善韌性。表1是氧化鋁陶瓷與PPS物理性質的比（bǐ）較。在熱力性質、機械性質及絕（jué）緣破壞特性等物理性質（zhì）方麵，氧化鋁陶瓷優於PPS樹脂，但是，PPS雖稍微遜色，實際應用上並無問題，況且由於成本方麵的優勢，PPS樹脂被覆的絕（jué）緣軸承，Z先應（yīng）用（yòng）於以JR東日本公司（sī）E209係的電動車上，並大（dà）量應用於安裝了交流電（diàn）動機的新型既（jì）有線電動（dòng）車上。 　　開發絕緣軸（zhóu）承時，不僅針對軸承旋轉所必需的特性進行了試驗（yàn），而且（qiě）進行了與軸箱的分解組裝試驗，還設定了軸承的藥液清洗，進行了液體浸漬試驗等一係列從維修（xiū）方麵考慮的評價試驗。
　　2.2牽引電動（dòng）機軸承的新維修法
　　300係新幹線電動車以交流電動機的應用為契機，為替代以往的分解檢查法，進行了主要以軸承部分為對象的牽引電動機的非分（fèn）解檢查法的開發。對於運（yùn）行到檢查周期距離的車輛用牽引電（diàn）動機，在完全非分解狀態下實施軸承有無異（yì）常的檢測（cè），及對再使用軸承的（de）潤滑脂清洗（xǐ）並重新填充潤滑脂等。軸（zhóu）承是否有異常的檢測是通過（guò）對軸承的振動法及采用了熒光X射線的潤滑脂的現場(就地)分析來進行的（de），采用組合了高溫（wēn）、高壓水及真空吸引的裝置實施潤滑脂的清洗。
　　3　齒輪裝置用軸承
　　3.1齒輪裝置用軸承的功能
　　圖3為齒輪（lún）裝置用軸承（chéng），大齒輪及小（xiǎo）齒輪（lún）均用1對的單列圓錐滾動軸承，小齒輪軸承由牽引（yǐn）電動機側與車輪側的正麵組合構成；大齒輪軸承由於（yú）聯軸節不同，有背麵組合與正麵組合。齒輪裝置的軸承作用是，作為支承機構，一方麵承受運（yùn）行（háng）時的振動，一方麵將旋轉力平穩地（dì）傳遞到車軸上。它是在嚴格條（tiáo）件下（xià）使（shǐ）用的一種軸承，包含了振動條件的載荷（hé）與轉速是軸承的主要設計（jì）依據，其潤滑采用80號或90號（hào）齒輪油油浴潤滑。作（zuò）為軸承載荷，可按齒輪裝置額定轉矩工況下（xià），對以考慮了動載荷係數的齒輪齧（niè）合反力，和運行時（shí）的振動加速度（dù）為前提（tí）的小齒輪軸和（hé）齒輪(變（biàn）速)箱的慣性力為（wéi）主要載荷要（yào）素，以齒輪變速箱的尺寸要素為基礎，求出軸向及徑向的軸承載荷。近年來，300係以後的（de）新幹線電動車齒（chǐ）輪（lún）箱（xiāng）由以往的鑄鋼材料改（gǎi）為鋁合金(JIS AC4C)材，結果表明，實現了小型（xíng）化，其質量為（wéi）以往的∀.左右，減輕了（le）簧下質量，從而（ér）有利於降低軸承載荷。Z近，新幹線電動車軸承的尺（chǐ）寸隨著轉向架零部件的輕量化正在實現小型化（huà）。
　　如圖6所示，圓錐滾動軸承由於內圈大擋邊與圓錐滾子的大端麵形成滾動、滑動接觸，接觸點的表麵壓力與滑動速度V的積（jī）即PV值，作為對於發生熱膠著及咬傷限（xiàn）界的一種目（mù）標。圖7表示關於Z近（jìn）新幹線（xiàn）和既有線電動車齒輪裝置的PV值分布。圖7中各曲線對應於具體的車輛（liàng），這（zhè）裏所謂的額定運轉速（sù）度，如用各車輛的Z高運行速度的比例表示，停車次數多的既有（yǒu）線電動車（chē）大致為37%～66%;而新幹線電動車大致相當於55%～74%的速度範圍。另外，P的值以不（bú）包含振動（dòng）、衝擊等（děng）動態（tài）載荷為前提。新幹線電動車與既有線電動車之間表麵（miàn）壓力及接觸點的（de）滑動速度（dù）看來存在若幹差異，但是如（rú）用PV值（zhí）來看則無大的差異。 　　3.2提高齒輪裝置用軸承（chéng）的性能
　　齒輪裝置用軸（zhóu）承尤其是小齒輪軸承，受到車輛運行時振動的影響，保持架（jià）各部（bù）分產生各種高頻交變應（yīng）力。特別（bié）是新幹線電動車高速化時，確保（bǎo）保持架的疲勞強度的可靠性是技術課（kè）題。采用提高保持架的（de）板厚，以增強剛性，降低應力（lì），以及利（lì）用保（bǎo）持架表麵施行（háng）軟氮化處理，以（yǐ）提高耐磨性，同時提高疲勞強度的方法等，顯著（zhe）改（gǎi）善了保持架的疲勞強度。
　　具有（yǒu）高速、連續運轉特征的新幹線電動車齒輪裝置，由（yóu）於潤滑（huá）油的攪（jiǎo）拌，溫度（dù）上升較高（gāo），為了防止長時間使用下（xià）因內圈內徑尺寸的（de）增大引起軸承內圈的蠕動，軸承內圈一般施（shī）行尺寸穩定化熱處（chù）理。既有線電動車的（de）小齒輪軸承有出現內圈擋邊燒傷的情形，這是（shì）由於圖6所示（shì）內圈的大擋邊（biān）麵（miàn）與（yǔ）滾子端麵間（jiān）的滾動（dòng）、滑動接觸部的油膜破裂(斷油)產生的現（xiàn）象，但與前述的PV值之間的直接關係並不密（mì）切。傳動比大的既有線電動車起動時齒輪高加速旋轉，由於快速的溫度上升，容易導致軸（zhóu）承（chéng）軸向間隙減小，內圈大擋邊麵與滾子端麵的摩擦表麵上，有產生油膜破裂的情形（xíng）。通常運轉（zhuǎn）時並不會產生什麽問題，但是在（zài）冬（dōng）季起動時，由於室（shì）外溫度低，潤滑油粘度高，有潤滑油難以巡回的現象。對於內圈（quān）擋邊燒傷，著眼於加大軸承軸向間隙管理（lǐ）值的（de）下限，改善齒輪箱內的潤滑結（jié）構，對於寒冷地（dì）區，適當降低潤滑油粘度等。此外，可在軸承（chéng）設計方麵予以改進，采取使內圈大擋邊與（yǔ）滾子大端麵的接觸處移動到旋轉中（zhōng）心，降低接觸點的滑動速度和改善接觸麵的表麵粗糙度等措施，來防（fáng）止內圈擋邊（biān）的燒傷。
　　4　結束語
　　鐵道車輛用軸承在適應於各個時期的需求中獲得發展，今後的課題是，為實現更長時間的（de）免維修，更正確地掌握以實際承（chéng）受（shòu）載荷為首的使用條件，另外，現在軸承材料顯著進步，在（zài）提（tí）高滾動疲勞強度措施方（fāng）麵，從滾子與擋邊或保持架等（děng）滑動接觸部（bù）分的摩擦學方麵進行研究是至關重要（yào）的（de）課題。