高速列车轴颈轴承的未来

当今高速的轴颈轴承火车-即允许轮对相对于轴箱自由旋转的组件-是高技术的精密机械组件，可传输几十千牛顿的负载，转速可达2000转/分钟。

广泛使用的锥形和圆柱形双保持架轴承单元是安全关键部件。仅仅一次故障就可能导致灾难性的事故，特别是在高速行驶时。因此，相关的维护活动是任何走行齿轮维护计划的关键部分。

传统的定期维护正在被“更智能的”预测性维护所取代，传感器(如温度和振动)用于早期诊断任何不利的健康状况，并能够预测剩余寿命。

尽管技术不断进步，但历史维护活动仍然是有效计划的基石:定期目视检查(例如，润滑剂泄漏)和大修——大多数情况下是更换新的或翻新轴承单元。轴承更换需要拆卸轮对，因此，相关车辆需要大量停机时间。安排其他需要同时拆卸轮对的维护活动是很方便的，即使它们潜在的维护间隔比轴承所需的更长。这就是shift2rail资助的期刊轴承工作流的主要目标背后的原因GEARBODIES研究项目，以降低轴承和走行齿轮的生命周期成本(LCC)，主要是通过提高轴承单元的寿命。其目的是研究和开发超长维护间隔(3公里，目前为1.65公里)和超长维护间隔(超过5.5公里)的技术。在后者的情况下，两个维护间隔的总体轴承寿命将对应超过11 Mkm和25年的服务。

GEARBODIES项目

GEARBODIES由Eurnex协调，于2020年12月1日开始，将于2022年12月31日结束。该研究团队的期刊工作流程包括三个学术合作伙伴(意大利罗马SAPIENZA大学;英国纽卡斯尔大学;维尔纽斯·格迪米纳斯技术大学，立陶宛)，一个非盈利的私人研发协会(西班牙AIMEN技术中心)和世界领先的轴承制造商(德国舍弗勒技术公司)。该团队的预算约为65万欧元，正以结构化的方式实现降低成本成本的目标。最初筛选的技术概念通过所谓的层次分析法进行分析，这是一种基于备选方案两两比较的多标准技术，如图1所示。分析将目标分解为具体的目标，每个目标都有相应的标准，反过来又与可选技术概念相关。

降低LCC主要是通过提高润滑油寿命来实现的。事实上，这个特定的目标通常被证明是维护间隔的当前驱动因素。润滑剂(目前是特殊的轴承润滑脂)通过暴露在环境和摩擦热中降解，以及污染物的积累。

对于超长的轴承寿命，舍弗勒致力于减缓润滑剂的退化，主要是通过组件几何形状的优化设计:例如，使用球代替锥形或圆柱形滚子，以及仔细研究几何细节的变化，如内环唇和聚合物保持架的形状(见图1)。这些创新的目的是将使用过程中产生的摩擦热降低到最低，显著延长润滑剂的使用寿命。该计划是通过根据EN标准的台架测试来验证GEARBODIES项目中的解决方案。

图1:层次分析法。

对于超长寿命的作品，更多的是概念性的。油润滑，有时在过去使用，但现在普遍被润滑脂取代，由于其潜在的润滑剂冷却和过滤，以及更换不拆卸轴承的便利性，正在被考虑。舍弗勒对最先进的轴承进行了测试，以检查轴承密封防止漏油的能力，结果不令人满意。最有希望的解决方案是在未来的项目中开发密封外壳。

由此产生的超长润滑油寿命可能会超过目前用于滚子和环的最先进的钢材的寿命，以及广泛使用的用于保持架的聚合材料的寿命(虽然金属保持架是一种可能，但在故障发生时，金属保持架对突然发生故障的保证较低)。为此，增加滚动接触部件和保持架寿命的具体目标被包括在内。

对于滚动接触部件(滚子、内/外圈)，重点是高熵合金(HEA)。传统合金由一种主元素(如用于钢合金的铁)和浓度低得多的次元素组成，与之不同的是，HEA涉及四种或四种以上的主元素，且所有元素的浓度都相对较高。大量的元素组合意味着大量的可能系统和自由调整组成，以达到所需的机械性能。因此，HEA是开发高耐磨、低摩擦滚子和环的一个有前途的解决方案。在GEARBODIES项目中，纽卡斯尔大学已经选择了潜在的候选hea(例如Nb25Fe25Cr25V25)。HEA薄膜涂层钢样品的关键性能(摩擦学、硬度等)正在纽卡斯尔的实验室中进行测试，以确定其作为轧辊和环材料的适用性。事实上，对于轴承的应用来说，表面性能是最重要的(即那些保持低摩擦和高疲劳阻力)。使用HEAs作为基材被排除，至少在最初，由于可预见的高组件价格。

同样，用玻璃纤维(33%)增强的商用PA66样品和一种新型PEEK解决方案没有用于轴颈轴承，AIMEN正在进行测试。超长寿命最有趣的方面是它们在轴承润滑环境中的老化行为。正在用固体润滑剂(润滑脂)和液体润滑剂(油)对注射成型制造的样品进行自动压罐试验，以确定老化行为的差异(加速老化试验)。AIMEN和VILNIUS TECH在老化试验前后进行了力学试验(拉伸和三点弯曲)，以评估关键性能的差异。

图2

SAPIENZA和Schaeffler正在使用上述调查和测试的结果来通知GEARBODIES轴颈轴承设计概念(DC):

• 一个“聚焦DC”，目标是超长寿命，具有更高的技术准备水平(TRL)，并在实验室进行验证测试
• 适当数量的“开放dc”目标超长寿命，具有较低的TRL。

在进行概念性工作的同时，还进行初步鉴定，并在可能的情况下对利益攸关方的影响进行量化。对市场吸收最重要的利益相关者是列车运营商，如果GEARBODIES项目的创新是为了推出下一代高速列车的生产线，那么有利的商业案例是至关重要的。预计运营商的主要好处是较低的运行齿轮维护成本与较长的轴承维护间隔。额外的好处是较低的牵引能源账单，由于较低的轴承摩擦。此外，GEARBODIES项目轴承创新是具有吸引力的车载轴承配置的关键促成因素，由于气动运动阻力的改善，这也可以节省牵引能源，以及由于较低的非簧载质量，有利于车轮和轨道维护。