实施全寿命周期管理 提升铁路轴承可靠性
发布时间：2013-09-02吕向伟
（铁姆肯（中国）投资有限公司高级应用工程师）
作为铁路车辆关键零部件的轮对轴承，其可靠性直接决定着车辆的运行和安全性能。（铁姆肯（中国）投资有限公司高级应用工程师）
铁路轴承对可靠性的要求，相对其他行业有着系统性、复杂性和长久性的特点，这与全寿命周期管理的特征极为相符。铁姆肯公司推出APTM型整体式铁路轴承后，在不断进行技术创新的同时，将全寿命周期管理作为业务拓展的核心理念，不仅使铁路轴承的可靠性得到持续提高，而且为客户创造了长期效益。
全寿命周期管理即是在产品设计、制造，应用和维护4个基本阶段运用一系列技术手段和管理方法，实现产品应用的可靠性和经济性，使项目整体达到Z优。以重载应用系列的TIMKEN K级轴承为例，以可靠性为中心的轴承产品全寿命周期管理过程，着眼于轴承整体使用寿命，始终以可靠性为中心，在轴承结构设计，制造质量、选型应用分析、安装维护和修复各个阶段实施可靠性技术，运用铁姆肯公司数据和信息管理体系、相关铁路行业标准对各阶段进行系统性地协调与管理。
TIMKEN K级轴承在结构设计上的特点
预润滑、预密封、预调整游隙，简化了轴承安装过程，而轴承系统的一体化又有利于轴承总体可靠性的控制。该轴承为铁姆肯公司的第2代整体式铁路轴承，即AP-2TM（图1）。相对代APTM，AP-2TM取消了密封磨损环的设计（图2），并拥有以下性能特点：
缩短了车轴轴颈的长度，减少了车轴的挠曲形变，不仅可以减轻轮对重量，而且极大地减轻了各零部件的微振磨损。微振磨损是由于载荷下的车轴挠曲形变，加上车轴的旋转，造成轮对轴承零部件的相对微小移动，经过长期运行，轴承某些零部件表面出现磨损的现象（图3）。如果不加以控制和预防，会使轴承的游隙增大，出现轴承零件和车轴表面损伤，严重影响轴承的运行可靠性。
图1 铁姆肯公司的第2代整体式铁路轴承——AP-2TM
图2 与代APTM相比，AP-2TM取消了密封磨损环的设计
图3 微振磨损是由于载荷下的车轴挠曲形变，加上车轴的旋转，造成轮对轴承零部件的相对微小移动，经过长期运行，轴承某些零部件表面出现磨损的现象
从可靠性角度来分析，由于减少两个密封磨损环，使系统内零部件数量减少，又有利于系统可靠性的提高。由于轴承密封件设计在内圈上（图4-1），可完全避免内侧列轴承内圈大端面与后挡之间的微振磨损颗粒进入轴承内部，改善了轴承内部的运行环境，防止轴承因杂质引起的早期损坏。
在内侧列轴承内圈和后挡之间采用夹紧套设计（图4-2），使轴承更加便于安装，减少由于安装不当造成的应用性能下降，提高了安装质量和效率（图4）。
图4 轴承密封件及夹紧套设计
采用高纯净度TIMKEN标准的轴承钢，因钢材内部杂质的减少，延长了轴承的疲劳寿命。而内外圈和滚子表面均采用表面渗碳技术，使轴承能更好适应铁路频繁振动的应用工况，以及改善滚道表面的润滑条件。这些特点提高了轴承应对恶劣工况的能力，确保铁路车辆在不同线路、不同载荷、不同环境中的正常运行。密封形式为HDL动态迷宫式密封或Z新一代的EcoTurn无接触式密封（图5）。二者在降低摩擦扭矩和温升方面均表现优异，特别是EcoTurn密封接近“零”摩擦扭矩的性能，为用户节省了燃料和降低了有害排放。HDL密封的橡胶唇口与金属防护罩的接触区域没有直接暴露在空气中，可使轴承能运用在一些特殊的环境中，如在硫磺矿山，使接触区域金属表面遭受硫磺的腐蚀可能性大大降低。EcoTurn使橡胶件不接触金属表面，零磨损有利于保持原有持久的密封性能。两种密封都经过了AAR（美国铁路协会）M-959严格的可靠性测试，并获得了该认证。
图5 新一代的ECOTURN®迷宫式密封件
引入DFMEA（设计失效模式及影响分析），提前评价和分析轴承在实际应用中可能存在失效风险，如密封失效、滚道磨损，游隙超差、温升过高，润滑不足等，从而采取针对性的加强设计。DFMEA的运用有效地使设计与实际应用联系了起来。TIMKEN K级轴承在获得AAR认证时，除了在尺寸设计上符合AAR M-934标准外，也经过了AAR的大量而严格的可靠性测试。根据AAR标准，轴承先后经历了各零部件试验，装配件的台架试验以及历时至少两年和至少16万km的批量装车测试，其可靠性得到了有效验证。
确保产品质量的稳定性和一致性
铁姆肯公司铁路轴承的生产制造均采用TIMKEN先进制造技术和全球统一的质量标准。为保证产品质量和提供生产效率，生产部门采用先进的KBE系统（工程数据系统），进行产品制造过程的系统化和标准化管理。该系统将产品数据、工艺要求、工装管理，设备参数设定等进行集成和衔接，实现产品数据无缝传输，技术与工艺要求标准化，加工动态数据的实时监控，基于多种语言的全球数据共享。轴承制造的数字化和标准化，更有利于轴承质量的稳定性和一致性。
TIMKEN质量管理系统（TQMS）是以具体工序、质量标准、PPAP（生产件批准程序）、PFMEA（过程失效模式及影响分析）、GQTS（全球质量追踪系统）为基础，建立快速反应、过程质量控制，标准作业和培训等管理流程，把提高产品质量作为铁姆肯公司发展的核心理念之一。
铁姆肯公司的每个铁路轴承工厂都拥有AAR颁发的生产许可证，并接受AAR的定期审核。为获得AAR批准，工厂除了在设备、人员技能等方面达到AAR要求之外，按规定必须分两次共生产出至少4800个轴承，进行装车考核，并经过至少两年和至少16万km的运行，两次拆解检查均合格后，才能获得AAR的无条件生产许可。由此可见，铁姆肯公司的每个铁路轴承工厂的制造能力和质量稳定性得到了充分验证。
以应用系统可靠性为目标进行正确分析和安装维护
首先计算轴承的寿命，校核是否满足应用的目标寿命。铁姆肯公司的技术人员采用专业的轴承分析软件，模拟实际应用环境进行建模（图6），对轴承的寿命，应力、承载区、油膜厚度等进行量化分析。这些分析，一方面提高了轴承选型的准确性，另一方面也为今后的轴承维护分析提供了依据（图7）。
图6 铁姆肯公司的技术人员可采用专业的轴承分析软件，模拟实际应用环境进行建模
图7 轴承的寿命、应力及承载区
其次，TIMKEN K级轴承可以根据不同客户，不同应用的需要，选择不同的压盖、后挡、密封、油脂、锁紧螺栓，以组成满足应用需求的装配形式。因此，除了需要得到应用载荷、速度等基本数据，还应对客户实际应用环境和维护情况进行详细的分析，以选择正确的油脂、密封、压盖等，确保轴承的整体性能符合应用要求。此外，在不同区域和国家的轴承实际使用经验也是非常重要的参考依据，并应考虑轴承的售后服务及备件管理。铁姆肯公司在全球的制造、服务和维修基地的经验信息有时可以对轴承选型起到至关重要的作用。由于轴承的可靠性还受车辆的相关部件直接影响，铁姆肯公司认为必须将诸如车轴、承载鞍、转向架形式等与轴承组成系统分析，不仅可帮助用户改进设计，而且可以提供承载鞍、轴箱的设计方案。
针对铁路轴承的应用特点，铁姆肯公司按照AAR、FRA（美国联邦铁路管理局）规定，结合铁姆肯公司自身对铁路轴承应用的经验，制定了多个指导性文件和手册，内容包括了压装设备的设计、安装工艺规范，轴承退卸、油脂检查，现场运行检查，存储和运输等关于轴承安装维护阶段的所有内容。这些资料极具经验性和可操作性，使铁路轴承的安装维护更加规范化。
铁姆肯公司自2002年起，每年都举办专门针对客户的铁路轴承专业技术培训，旨在使客户得到关于铁姆肯公司铁路轴承的产品、应用、维护等方面的知识与技能，从而使轴承在实际使用中得到正确的维护，提高车辆运行的安全可靠性。培训内容涉及轴承基础知识，AAR标准、轴承修复、现场检查、损伤分析、操作演示等。
以修复质量为前提标准化地开展铁路轴承修复
作为全寿命周期管理体系的重要一环，轴承修复直接体现了铁路轴承的长远经济性，为用户产生了直接的经济效益。由于铁路轮对轴承使用量大，安全性和可靠性要求又高，故应以修复质量为前提，标准化地开展铁路轴承修复。
铁姆肯公司严格遵循AAR关于铁路轴承修复的要求，从生产线的布置，工装设备，零部件的管理，轴承各部位检查标准和各工序的操作工艺等细节入手，进行规范化修复，确保每个轴承的修复质量。
铁姆肯公司全球各维修工厂在经过AAR资格认证后，还需要通过AAR定期的严格复查。轴承拆解，清洗、每个零部件的检查、标记、装配和加脂等工序都有标准的工艺规范，对关键工序既有量化标准，有专用的图示进行说明。
今天，依然可以看到许多历经多次修复的几十年以前的TIMKEN轴承驰骋在铁路线上，行驶里程达到了数百万公里，这在很大程度上得益于每次修复质量的充分保证，大大延长了轴承的循环使用寿命。
铁路轴承的可靠性不仅取决于其寿命周期内各个环节的可靠性，也应以全寿命周期管理的理念进行总体协调。铁姆肯公司采用多种系统管理技术，实现产品和质量信息，工程应用数据库、轴承故障分析报告及修复追踪记录的系统化动态管理，对每个客户项目的轴承应用进行全寿命周期管理，使轴承应用的可靠性得到系统化管理。
鉴于铁路车辆系统和应用条件的复杂性，铁路轴承的可靠性在很大程度上还取决于轴承制造商与车辆厂和Z终用户的密切配合。三方除了保证自身产品和质量管理外，还应该在数据和信息共享、技术交流，人员培训等方面进行充分地合作与支持，将其他方面的相关产品一并纳入自身的全寿命周期管理系统，以提升轴承系统的应用可靠性，进而实现车辆运行的安全可靠性和经济环保性这一共同目标。
来源：《现代制造•轨道交通》2012年5月25日