铁路是支撑人们日常生活的一种非常经济的公共运输方式，其历史悠久，至少可追溯到2 000年前的罗马帝国时期，当时的车辆在由凿削的石头铺成的轨道上运行。蒸汽机车铁路在18世纪初首先在英国投入实际使用，随后推广到整个欧洲和美国。日本的第一条铁路于1862年在新桥与横滨之间投入运营，比英国晚了50年。日本的铁路技术发展成为现在的新干线，同时磁悬浮新干线的商业运营也越来越近。国外(尤其是发展中国家)地铁和高速铁路的基础设施建设正在发展中，这是解决大都市人口集中和环境问题导致交通堵塞的有效对策。

1 技术趋势

1.1 铁路车辆

自从0系列新干线出现以来，铁路车辆速度变得更快。近年来，中国的高速铁路网进展迅速，铁路车辆最高运行速度已达380 km/h。英国也计划将高铁车辆速度提至400 km/h。另一方面，在地形多山的欧洲和韩国，同时考虑到包括维护在内的经济效益，车辆速度被降至约250 km/h。

在最近几年的德国柏林国际轨道交通技术展览会上能看到这些趋势。为了改善寿命周期成本(LCC)，同时也作为应对劳动适龄人口减少的对策，尤其在日本市场，特别希望减少维护和提升可维护性。此外，各种规范的标准化在国外已取得进展。尤其在欧洲，鉴于混线运营和世界范围内扩展欧洲规范的目的，将进一步深化标准化活动。

1.2 铁路车辆轴承

用在车辆轮轴附近的轴承(图1)分为3类：轴箱轴承、齿轮箱轴承和牵引电机轴承。

图1 NSK铁路轴承的安装位置

1.2.1 轴箱轴承

因轴箱轴承直接支承车辆，所以很重要。损伤的轴承可能对车辆的安全运行有严重影响。因此，对轴承的可靠性要求越来越高。通过优化内部结构，采用高纯净度钢和对材料进行无损检测来响应轴承的可靠性要求。

几乎所有的轴箱轴承均由填充在轴承内部的润滑脂润滑(图2)。对于脂润滑，尤其是在高速运转状态下，了解轴承内部润滑脂的特性很重要。高速旋转下由于离心力的作用，润滑脂极易溅向轴承的密封侧，直至最终停留在稳定位置。因此，通过格外关注初始润滑脂分布和各部位润滑脂填充量来控制轴承内部润滑脂的分布很重要。

图2 带工程塑料保持架的轴箱轴承

此外，从润滑脂泄漏和外部异物进入的角度考虑，填充润滑脂的轴承必须密封。密封通常分为接触式和迷宫式，均安装于轴承外圈上。对于接触式密封，密封唇与轴承的旋转部位接触；对于迷宫式密封，密封副需保持最佳间隙。密封方式和材料的选择根据滑动表面速度和环境条件确定。另一方面，对于采用油润滑的新干线轴箱轴承，应对轴箱漏油的措施很重要，通过油位、色度以及吸附在磁铁上的金属碎屑极易监测轴承状态。油润滑被认为是润滑轴承的一种稳定方式。从LCC观点来看，延长维护周期有强烈的市场需求，尤其是响应长期不拆解轴承的需要，抑制润滑脂降解是关键。采用工程塑料保持架替代常规钢板冲压保持架是一种措施。此外，正如在2018年德国柏林国际轨道交通技术展览会所展示的那样，后文描述的轴承监测系统现在有望成为延长维护周期的新方法。

按照欧洲高速铁路网互联互通法令，在欧洲已建立铁路车辆轴箱轴承标准，如EN 12080，EN 12081和EN 12082(表1)，对轴承技术要求、润滑脂填充以及性能与耐久性评价方法进行了标准化。这能使满足以上标准的轴箱轴承应用于国际铁路车辆，尤其是欧洲范围内的车辆，并保持相应的质量性能水平。关于RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)的标准也已建立。

表1 欧洲铁路轴承标准

1.2.2 齿轮箱轴承

齿轮箱是将驱动力从牵引电机传递到车轴的装置。齿轮箱轴承安装于齿轮箱的小齿轮轴和大齿轮轴上，在日本主要采用圆锥滚子轴承。关于轴承失效，可能的关注点是由于齿轮啮合振动导致保持架疲劳失效和磨损。为了应对这些问题，采用了加强型保持架。由于高速旋转和与牵引电机相关的耦合振动，小齿轮轴轴承的工作条件恶劣。鉴于此，可依据实际情况对保持架进行软氮化表面处理。

另一方面，对于国外(尤其是欧洲)的高速铁路车辆，小齿轮轴通常采用圆柱滚子轴承和球轴承。小齿轮轴若采用圆锥滚子轴承，轴承安装时必须调整轴向游隙。然而，小齿轮轴采用球轴承能自身确定游隙，无需在安装时调整游隙。然而，轴承数量增多会导致轴承重量和总宽度增加，这是不利的。此外，近年来，日本正采用双螺旋齿轮为新干线开发驱动装置。这类齿轮能减小施加于轴承的轴向载荷，因而可采用圆柱滚子轴承。尽管如此，滚子端面和套圈挡边引导面需优化，因为其之间可能会产生不利的滑动接触。

1.2.3 牵引电机轴承

为使结构紧凑和高效率，大量列车采用VVVF(变压变频)控制的交流电动机。这种无刷电动机的普及几乎消除了电动机中除轴承外的滑动部件。从这点来看，轴承寿命成为决定维护间隔的关键，因为轴承在电动机中是具有滑动零件的仅有部件。由于轴承润滑性能的长期可持续性很重要，已提出润滑脂基础油的变化(从矿物油到合成油)以及润滑脂兜的改进，采用工程塑料保持架和陶瓷滚动体等优化措施。

此外，除了一些机车，铁路牵引电机轴承载荷相对较低。因此，在更高的速度条件下，由于内圈对滚动体的驱动力不足，可能产生打滑损伤。优化轴承内部结构和润滑性能至关重要。

在铁路牵引电机中，部分电流(直流或交流)可能穿过轴承，并通过轴承滚动表面之间的油膜产生电火花，损伤滚道和滚动体表面，这被称为电蚀。外圈带绝缘材料的绝缘轴承是目前防止电蚀的一种常用解决方案(图3)。绝缘材料阻抗越高，绝缘性能越好，故通常采用陶瓷和树脂作为绝缘材料。此外，采用陶瓷滚动体来增强大阻抗特性的混合轴承也可使用。

图3 铁路牵引电机用带电绝缘外圈的圆柱滚子轴承和球轴承

2 相关技术所开展的工作

2.1 轴承传感器和轴承状态监测

为进一步提高铁路车辆的安全性和可靠性，并实现维护周期从基于时间向基于状态转变，正开发多种传感器和针对轴承损伤早期检测的轴承损伤预测诊断系统。

2004年开发的轴箱轴承传感器(图4和图5)应用于M250系列特快集装箱列车“超级铁路货运”(最高速度130 km/h)。日本货运铁路公司于2004年3月13日开始该系列列车的运行，已使用该传感器超过13年。该传感器有一个多感应器结构，一个单独传感器具有多个感知功能，可包含温度和振动内部感应器或温度和转速内部感应器，其有多种组合类型。此外，在2012年开发了包含一个转速传感器的轴箱轴承(图6)，并应用于西日本铁路公司的321系列和521系列列车。

图4 轴箱轴承用传感器

图5 安装到轴箱上的传感器

图6 传感器安装在密封上的轴箱轴承

近年来所取得的进展不仅体现在上述多种传感器的开发方面，还包括充分利用传感器获得的信息开发轴承故障预测诊断系统。该系统的特点是具有检测轴承损伤早期征兆的能力。作为轴承制造商，长时间积累的轴承损伤信息对于构建诊断逻辑必不可少。

未来将根据铁路行业利用物联网的各种行动，通过持续开发集成传感技术和诊断技术的产品，为提高车辆运行的安全性和可靠性做出贡献。

2.2 车辆舒适性的改善

2.2.1 主动悬架装置

铁路车辆需要满足可靠性和安全性的技术要求。针对豪华列车，还需要提供高舒适性。此外，抑制车辆振动作为保证舒适性的问题已得到突出关注。车辆振动源于多种原因，包括轨道偏摆、坡度变化、车辆轨迹从转向架间接传递到车体以及周围的气压直接使车体左右晃动。为了抑制车体振动，由轴箱弹簧、摇枕弹簧和横向移动阻尼器组成的被动悬架被安装到铁路车辆上，如图7所示。

图7 转向架和车体模型

为进一步改善舒适性，主动悬架装置正在发展中，其能对车体振动进行主动控制。

主动悬架大致分为半主动悬架和全主动悬架。半主动悬架控制阻尼器的阻尼力。全主动悬架通过气动、液压和电动执行器产生与振动方向相反的力主动消除车体振动。

2.2.2 全主动悬架执行器的发展

采用滚珠丝杠结构，开发了全主动悬架电子执行器来抑制铁路车辆的横向振动，称作振动控制执行器(图8)。

图8 NSK振动控制执行器

该执行器安装在转向架与车体之间，与图7所示的横向移动阻尼器平行，响应上层控制装置的指令，在横向上产生驱动力。作为一种将电动机的旋转运动转换为输出轴直线运动的机构，一种高效率、低惯量和高反向可驱动性的精密滚珠丝杠已被采用。驱动力的高效传递降低了对电动机的转矩需求，这使执行器的结构更紧凑且更节能。除了滚珠丝杠的反向可驱动性，电动机结构紧凑、惯量低，从而改善了系统响应，抑制了系统振动。

采用全主动悬架执行器控制，横向加速度的大幅降低在东日本铁路公司的四季岛旅游列车实车行驶试验(以约100 km/h的速度行驶通过中央线的隧道部分)中得到证实。

3 未来技术任务

这里介绍的是确保铁路车辆安全性、可靠性和舒适性的主要产品，进一步提高其性能和可靠性是持续进行的任务。此外，从经济性的角度考虑，改善可维护性和减少维护(最终免维护)的需求不断增长。对此任务，每种产品材料技术(包括热处理)的发展、剩余寿命诊断技术和本文介绍的状态监测新技术具有日益增长的重要性。然而，仅满足高端技术的要求将不能满足市场需要，预计未来的要求会更高。充分利用长期成果支承的现有技术，更精确、准确地分析/模拟技术的发展以及持续提供性能与经济性良好平衡的高性价比产品是供应商的任务。