采用100CrMo7贝氏体钢提高机车轴箱轴承寿命

　　摘　要：介绍了100CrMo7贝氏体钢在国内外的使用情况和100CrMo7钢与GCr15钢机械性能的对比试验及化学成分对比，进行了新型轴承的寿命计算，得出采用100CrMo7贝氏体钢可以大大提高机车轴箱轴承寿命。
　　关键词：轴箱；轴承；寿命；100CrMo7贝氏体钢
　　1　前言
　　铁科技机函[1997]28号文《关于印发“（23＋2）t轴重内燃、电力机车车轴强度及轴箱轴承寿命技术研讨会会议纪要”的通知》中指出：经部研究决定，（23+2）t轴重内燃、电力机车仍按Ø160mm车轴轴径设计车轴、轴箱及轴承等承载部件，并继续进行（23＋2）t轴重内燃、电力机车轴箱轴承寿命的研究及有关的安全校核计算，以保证轴箱轴承的使用寿命满足内燃、电力机车一个大修期的要求。
　　多年的实践证明，现在使用的GCr15钢轴箱轴承，在23t轴重、120km/h速度以下，仅能满足内燃、电力机车一个厂修期的使用寿命。让其承受25t轴重，其计算寿命要降低24.3%，故障率会大幅上升。因此，现在使用的GCr15钢即使采用贝氏体淬火也难以达到铁道部的要求，在现有内燃、电力机车轴箱和轮轴尺寸均不变的情况下，只有采用SKF、FAG公司已经广为应用的100CrMo7贝氏体淬火钢，才能满足铁科技机函[1997]28号文的要求。
　　2　100CrMo7贝氏体钢在国内外的使用概况
　　80年代初，SKF、FAG公司将铁路机车车辆轴箱轴承和牵引电机轴承的材质改为100CrMo7贝氏体淬火钢，取得了良好的使用效果。
　　1987年3月，SKF公司为中国提供的客车轴承图纸，明确规定：采用100CrMo7贝氏体淬火钢，硬度为HRC58~HRC63。按此图纸，我国首批进口6000套100CrMo7钢的客车轴承，使用效果很好。
　　90年代初至今，准高速客车和提速客车又装了数万套的100CrMo7贝氏体淬火钢的SKF轴承。
　　90年代后期，位于四川省的长城钢厂冶炼了100CrMo7钢，用来制造用在自己轧机上的轴承，其寿命比GCr15钢制造的轴承高出4倍～5倍。
　　3　100CrMo7贝氏体淬火钢与GCr15马氏体、贝氏体淬火钢机械性能的对比试验
　　3.1 冲击吸收功A_k的对比试验
　　冲击试验是在大连铁道学院力学实验中心的JB-300A型摆锤式冲击试验机上进行的。
　　我们进行了GCr15钢的马氏体淬火、全下贝氏体淬火、100CrMo7钢的垒下贝氏体淬火的冲击吸收功对比试验，每种试样各为10件10件试样冲击吸收功的平均值依次分别为52J、62.03J、96.58J。100CrMo7钢的冲击吸收功Z高，是GCr15马氏体淬火钢的1.86倍；是GCr15贝氏体淬火钢的1.56倍。即100CrMo7贝氏体淬火钢的冲击韧度比GCr15马氏体淬火钢提高86%；比GCr15贝氏体淬火钢提高56%。
　　由此可见，轴箱轴承采用100CrMo7贝氏体淬火钢，对高振动、高冲击的准高速、快速和重载机车特别有利。
　　3.2 抗弯强度δ_bb的对比试验
　　弯曲试验是在大连铁道学院力学实验中心的WE-100型液压式万能试验机上进行的，配备YD-15型动态应变仪及函数记录仪。
　　每种试样各为10件，10件试样抗弯强度的平均值：GCr15马氏体淬火钢为3673MPa；GCr15贝氏体淬火钢为3950MPa；100CrMo7贝氏体淬火钢为4459MPa。由此得出：100CrMo7贝氏体淬火钢的抗弯强度比GCrl5马氏体淬火钢提高21.4%；比GCr15贝氏体淬火钢提高12.9％。
　　抗弯强度δ_bb的提高，对解决轴箱轴承内圈挡边的断裂特别有效。
　　3.3 断裂挠度，f_bb的对比试验
　　断裂挠度与弯曲试样是在同一试验机上进行的。
　　每种试样各为10件，10件试样断裂挠度的平均值：GCr15马氏体淬火钢为1.438mm；GCr15贝氏体淬火钢为1.806mm；100CrMo7贝氏体淬火钢为2.13mm。100CrMo7贝氏体淬火钢的断裂挠度比GCr15马氏体淬火钢提高48%；比GCr15贝氏体淬火钢提高18%。
　　4　100CrMo7钢与GCr15钢化学成分的对比
　　SKF公司100CrMo7钢和国产100CrMo7钢与GCr15钢化学成分标准及100CrMo7钢实测值的对比如表1所示。 　　由表1可知，在100CrMo7钢中加入Mo，对于形成贝氏体组织十分有利。同时，控制杂质及含氧量，可以提高轴承的疲劳寿命。
　　5　100CrMo7钢与GCr15钢的轴箱轴承使用寿命
　　100CrMo7贝氏体淬火钢的冲击吸收功比GCr15贝氏体淬火钢的冲击吸收功A_k提高56%，为更加安全可靠起见，将提高的A_k值降低50%，按A_k值增加28%考虑，即动载荷系数f_P下降28%，即寿命L_h增加到（1.28）^10/3=2.277倍。据此，算出以下结果，详见表2。 　　贝氏体淬火的100CrMo7钢与贝氏体淬火的GCr15钢相比，其冲击韧度提高约29%，抗弯强度提高11.2%。由此可以看出，采用100CrMo7贝氏体淬火钢，可以大幅度地提高轴承的计算与使用寿命。不论是25t轴重重载机车，还是23t轴重的准高速和提速机车，都能完全满足一个厂修期的寿命要求。
　　6　100CrMo7钢取代GCr15钢后，轴箱轴承结构、性能和轴承代号的改变
　　6.1 改变斜面挡边的倾斜角度
　　斜面挡边的套圈和球面端头的滚子能够较大地提高圆柱滚子轴承的轴向承载能力，其倾斜角的大小一直是我们研究的课题。过去参照国内外的经验，我们采用20′±3′。南京浦镇车辆厂对运用200×10⁴km以上的轴承进行磨损状态与斜面磨损角度的检测后发现，套圈挡边被自然磨耗成13′的斜面。因此，我们确定13′±3′为100CrMo7贝氏体淬火钢轴箱轴承的挡边倾斜角。
　　6.2 采用新型机车轮对轴承脂
　　轴承温度不过高时，工作条件系a₃基本上由轴承润滑状况决定铁道部科学研究院金化所研制的机车轮对轴承脂，具有高的抗挤压、抗氧化性能，已经通过了部级鉴定。25t轴重轴箱轴承应采用该种润滑脂。
　　6.3 径向游隙值
　　采用目标GB/T4603-93（等同于IS05753-1991）的C₄组游隙，其径向游隙值U_r-0.165mm～0.215mm。
　　6.4 轴承代号
　　100CrMo7贝氏体谇火钢轴承采用新代号。
　　新、老轴承代号对应如表3所示。 　　7　建议
　　就铁路机车轴箱轴承和牵引电机轴承设计而言，我国的设计规范、公差等级、游隙大小均按标准，所不同的只是，我国采用GCr15马氏体与贝氏体淬火钢，而SKF、FAG公司采用100CrMo7贝氏体淬火钢。因此，国产机车轴箱轴承的使用寿命总是赶不上SKF、FAG公司的。
　　上钢五厂已能生产真空脱气的100CrMo7钢，其化学成分、机械性能全按SKF D33技术标准要求。至此，轴承材质与热处理也与SKF公司的基本一致。可以预言，采用100CrMo7贝氏体淬火钢的机车轴箱轴承，与SKF、FAG公司的轴箱轴承的差距将大大缩小，已接近SKF、FAG公司的轴箱轴承。因此，机车轴箱轴承无需进口。
　　建议首批装用100CrMo7贝氏体淬火钢的机车轴箱轴承的车型为；①（23＋2）t的重载内燃、电力机车；②东风₁₁、SS₆等准高速机车；③提速车，如东风_4D型等；④新设计的内燃、电力机车。
　　参考文献
　　[1]尹桂江.铁道车辆轮对及轴承的结构与检修.北京：中国铁道出版社.1995.
　　[2]龙株，权中太.铁路机车滚动轴承手册.北京：中国铁道出版牡.1990.