高速铁路动车组轴箱轴承故障分析
摘要：高速铁路动车组轴箱轴承故障分析是识别故障风险和预防故障发生的重要依据。阐述了高速铁路动车组轴承的应用工况及其类型，归纳了轴箱轴承的主要故障类型，分析了轴箱轴承故障的主要原因，提出了基于全生命周期的故障风险防范措施，为我国轴箱轴承设计、制造和使用阶段的故障风险防范提供决策参考。
关键词：滚动轴承；铁路轴箱轴承；电动车组；故障；渗碳轴承钢；热处理；润滑脂；密封；振动；温升
截至2020年12月，我国高速铁路里程已达到3.8×104 km[1]，居世界第一位。随着高速铁路客车的普及以及不断提速，营运中不免出现异常故障，轴承是动车组的重要承载部件，也是其主要故障源。因此，充分了解现有高速铁路动车组轴承的故障类型和故障机理，识别故障风险因素，对确保国产轴承的应用以及故障风险可防可控具有重大意义。
针对高速铁路动车组轴承的研究，国外仍处于技术垄断阶段，公开的科研资料较少；我国的研究起步较晚，但也取得了一定的成果；近十年的国内外文献中，与高速铁路动车组轴承故障直接相关的文献仅有96篇(硕博学位论文58篇，期刊论文20篇，专利18篇)，且现有文献侧重于轴承的故障诊断和剩余寿命预测[2]。
本文针对高速铁路动车组轴箱轴承(以下简称轴箱轴承)的故障类型、故障原因和故障机理等方面的研究现状进行综述，提出故障防范措施，以期为我国高速铁路动车组轴承的应用研究和风险防范提供参考。
1 高速铁路动车组轴承概述
1.1 应用工况
轴承是高速铁路动车组的核心部件，其性能和可靠性与动车组的平稳安全运行密切相关。我国地域辽阔，自然条件差异较大：京广高铁正线运行里程超过2 000 km，沿途纵贯6个省市，跨越温带、亚热带等多个气候带[3]；2017年1月5日正式运行的G403/4，从北京西至昆明南全程运行2 760 km，是目前中国铁路运行交路最长的高速铁路动车组；哈大高速铁路高寒线路全长904 km，沿线城市1月份平均气温-3.9～-23.2 ℃，极端最低温度-39.9 ℃[4]；海南环岛高速铁路正线全长653 km，所处环境具有高温、高湿、高盐、强台风、强降雨、强腐蚀等特点[5]。高速铁路动车组长交路运行以及极端温度、环境腐蚀、风沙侵害等我国特有的运营环境，使我国高铁轴承的服役环境十分复杂。
1.2 高速铁路动车组轴承类型
高速铁路动车组轴承主要类型有轴箱轴承、牵引电动机轴承和齿轮箱轴承[6]，其应用部位如图1所示。轴箱轴承是高速铁路动车组的A类部件，其可靠性直接影响动车组的安全性和平稳性[7]。轴箱轴承的主要作用是将车体重量和载荷传递给轮对，减小摩擦，降低运行阻力；还要承受轮对与转向架构架之间的冲击振动载荷和轴向载荷[8]。如CRH380A型动车组，采用脂润滑的单套轴箱轴承承受的径向载荷、轴向载荷分别约90，20 kN[2]。
图1 动车组转向架模型示意图
Fig.1 Diagram of EMU bogie model
1.3 轴箱轴承
据统计，截至2020年，我国在役高速铁路动车组数量为3 918标准组，共31 344辆。不同类型动车组中所用的轴箱轴承数量约64～136套[9]。文献[10]根据轴箱轴承的结构尺寸、润滑、密封、寿命、可靠性、可维修性等技术指标对现有轴箱轴承的性能进行了详细分析，并对其选型给出了可行性建议。我国现有高速铁路动车组车型所用轴箱轴承的类型及品牌见表1[11]。
表1 动车组轴箱轴承配置情况
Tab.1 Configuration of axle box bearings for EMUs
轴箱轴承主要有圆锥滚子轴承(图2a)和圆柱滚子轴承(图2b)，目前大多采用脂润滑密封型双列圆锥滚子轴承，其结构如图3所示[12]。
(a)双列圆锥滚子轴承 (b)双列圆柱滚子轴承
图2 高速铁路动车组轴箱轴承
Fig.2 Axle box bearings for high speed railway EMUs
1—后挡；2—后端密封；3—内圈；4—外圈；5—中隔圈；6—保持架；7—滚子；8—前端密封。
图3 CRH1A平台动车组轴箱轴承结构示意图
Fig.3 Structure diagram of axle box bearing for CRH1A platform EMU
2 高速铁路动车组轴箱轴承故障类型
对近年轴承故障情况的调研发现，各型动车组上均发生过轴箱轴承失效：2011年7月至2017年5月，轴箱轴承共发生了335起故障[13]；2018年因轴箱轴承故障更换轮对80余台[9]；截至2019年底，根据各铁路局反馈的故障数据，总运用轴承约220 000套，故障轴承约550套，故障率为0.25%，主要表现为部分轴承内外圈滚道及滚子疲劳剥落，保持架故障、密封故障、油脂状态异常、轴承高温失效等[11]。
轴承早期失效可导致运行异常及效率降低，若未及时发现将导致故障扩大，从而引发安全事故[14]，深入分析轴承故障类型和失效机理对保障动车组安全运行具有重要意义。
2.1 轴箱轴承故障模式研究现状
当前，国内外对轴箱轴承故障模式的研究较少，本文对主要研究内容进行归纳：文献[15]调研了轴箱轴承的故障实例(图4)、运行工况、结构和承载特点，并在此基础上分析了轴箱轴承的故障特点，得出了疲劳剥落是其主要故障类型；文献[16]针对双列圆锥滚子轴承表面起源型疲劳剥落不同的故障形态建立故障模型，进行了模态求解和仿真分析，了解不同剥落形式对双列圆锥滚子轴承性能的影响；文献[17]归纳了疲劳、磨损、腐蚀、电蚀、塑性变形、开裂或断裂等6种主要的轴箱轴承故障形态并进行了定义描述，认为大部分轴承损伤都与这6种故障形态及其子形态有关；文献[18]介绍了CRH2型动车组轴承的锈蚀、压痕等表面损伤，分析了损伤产生原因并提出了处理方式：文献[19]建立了轴箱轴承系统的可靠性模型并进行了故障类型、影响及危害性分析(FMECA)和故障树分析(FTA)，找出产品设计的薄弱环节，对减少轴承故障，保障列车安全具有重要意义。
(a)剥落 (b)麻点
图4 CRH380B轴箱轴承外圈故障实例
Fig.4 Fault example of outer ring of axle box bearing for CRH380B
另外，国家轴承质量监督检验中心在2013—2020年间所检测50套轴箱轴承的故障类型如图5所示，套圈滚道疲劳剥落占56%，温升占10%，保持架断裂占10%，磨损占8%。
图5 轴箱轴承故障类型统计图
Fig.5 Statistical chart of fault types for axle box bearings
通过文献调研发现，对高速铁路动车组轴箱轴承的故障类型多为概念性描述，故障轴承数据样本较少，缺乏对故障的深入研究。
2.2 主要故障类型
根据文献调研结果并依据GB/T 24611—2020《滚动轴承 损伤和失效 术语、特征及原因》[20]对轴箱轴承的主要故障类型进行归纳，主要包括滚动接触疲劳、锈蚀、开裂或断裂、磨粒磨损、黏着磨损、保持架塑性变形：
1)滚动接触疲劳是轴箱轴承的高发故障类型，损伤大多集中在轴承滚道面，特别是外圈滚道剥落发生概率极大。高速、重载和振动冲击促成了接触区域表层附近裂纹的产生，加速了轴承疲劳，最终导致剥落的形成[15]。
2)锈蚀在轴承表面损伤中占绝大部分[18]，其产生原因主要是水分、腐蚀性物质(酸等)混入润滑剂或轴箱，导致润滑脂变质，造成轴承表面发生氧化或腐蚀，最终生成腐蚀麻点。
3)轴承套圈的开裂或断裂是一种极为严重的失效形式，一般会伴随出现轴承密封失效、油脂泄漏、保持架断裂、轴承异常磨损破碎、卡死等，可能造成轴温升高，减速甚至停车事故，通常由于轴承承载过大或装配不当引起。
4)动车组运行过程中，轴箱轴承呈现高速运转状态，虽然其摩擦表面附有润滑剂，但仍然会出现不同程度的磨粒磨损，磨损会进一步降低润滑脂的润滑性能，从而破坏轴承的微观结构[17]。
5)轴承套圈胶合是一种非常严重的黏着磨损，与磨粒磨损的逐渐累积过程相反，在轴承润滑不当或不充分的情况下很容易突然发生胶合故障[21]。
6)轴承保持架塑性变形会使保持架质心运动变得杂乱，滚动体与套圈之间的接触应力随之增大，会加剧滚动体与套圈的磨损和轴承温升，影响轴箱轴承的使用寿命。
3 高速铁路动车组轴箱轴承故障原因
当轴承正确安装且按规定维护时，疲劳失效将是其主要的失效原因，但实际使用中有大量轴承出现过早失效现象，针对可能导致轴承失效的因素及其故障产生机理，文献[22]分析了滚动轴承磨损、疲劳剥落、胶合等典型故障的产生机理，文献[23]对滚动轴承的常见损伤现象、产生原因及结果进行了分析。下面针对引起轴箱轴承故障的主要因素：轴承钢及其热处理、润滑脂、密封、滚子凸形、保持架以及因故障产生的振动、温升等方面相关研究文献进行归纳总结。
3.1 轴承钢及其热处理
国内外轴箱轴承零件所用轴承钢材料及其热处理工艺见表2。
表2 轴箱轴承零件材料及热处理工艺
Tab.2 Materials and heat treatment processes for axle box bearing parts
文献[24]对国外轴箱轴承套圈及滚子所用轴承钢的化学成分、非金属夹杂物、金相组织、硬度等主要技术指标进行了检测，并与国产轴箱轴承进行了分析对比，进一步明确了国内高铁轴箱轴承零件所用轴承钢的研发方向和加工工艺。
文献[25]确定了非金属夹杂物对轴箱轴承接触疲劳寿命影响的定量关系，为高速铁路轴承用钢的冶炼工艺提供了科学依据。
文献[26]针对白色蚀刻裂纹(White Etching Crack，WEC)损伤造成的轴承剥落失效，在实验室水平上模拟轴承钢白色蚀刻区域(White Etching Area，WEA)的形成过程，利用这种新方法对次表面显微组织变化进行研究，为分析滚动轴承过早失效后白色蚀刻区域的形成顺序提供了新的思路。
3.2 润滑脂
文献[27]针对轴承异常温升问题，研究了润滑脂的类型、填充量及分布对轴承温度的影响，结果表明：轴箱轴承应选用低黏度的润滑脂并关注轴承密封性，润滑脂填充量占自由空间的比例为19%～21%时可保证轴承充分润滑，降低轴承全寿命周期成本，轴承内部润滑脂的分布状态会影响轴箱轴承的温度状态，应予以重视。
文献[28]研究了最大承载滚子接触应力分布，建立了轴箱轴承有限元接触模型，文献[29]分析了滚动体与内、外圈之间的接触载荷分布情况，建立了轴箱轴承脂润滑弹流模型，结果表明：在给定运行工况条件下，增大运行速度会使轴承滚道润滑接触形成的油膜压力减小，油膜增大；而当轴承载荷增大时，其油膜厚度减小，油膜压力增大，会影响轴箱轴承润滑性能的稳定性。
文献[30]针对部分轴箱轴承运行后温度偏高和润滑脂变黑劣化的现象，对润滑脂进行了检测对比，结果表明：掺杂探伤耦合剂和防锈剂后润滑脂的锥入度和钢网分油率增大，基础油析出更多，是导致其润滑性能下降的主要原因。文献[31]则研究探伤耦合剂对润滑脂性能的影响，结果表明10%(25 g)的探伤液混入并不会对润滑性能有明显影响，但会有少量油品漏出。
文献[32]开展了轴箱轴承润滑脂性能试验研究，指出复合纳米颗粒对润滑脂润滑性能的改善是其类球轴承润滑机理、薄膜润滑机理和自修复润滑机理的协同作用，并成功制备了润滑性能满足EN12081标准的A1501润滑脂。
3.3 密封
文献[33]介绍了一种轴箱轴承轻接触式迷宫密封结构，从密封罩及与其对应的外圈牙口、后挡圈的制造精度，密封的压装方式等方面分析了密封失效的因素，提出了对压装工艺过程的精细化控制措施，以保证轴箱轴承在高速运行中密封的可靠性。
3.4 滚子凸形
列车运行过程中，双列圆锥滚子轴承的滚子与滚道的接触区域会出现复杂的变形情况和应力集中现象。文献[34]针对目前实际应用于轴箱轴承的4种主要滚子，分析不同凸形滚子沿其素线方向的应力与载荷分布并求解出极限载荷状态下的最佳凸度值，避免或降低了滚子应力集中以及滚子与滚道的接触作用力，并有效减小了轴承的振动和摩擦，为轴箱轴承滚子凸形设计提供了参考。
3.5 保持架
文献[35]针对某动车组轴箱轴承易发生温升预警的问题，分析了轴承温度和保持架磨损的相互影响关系，认为轴承温升使保持架膨胀，造成保持架与外圈挡边发生全接触，导致保持架产生异常磨损；建议在保证轴承使用性能的前提下适当增大保持架的引导间隙，以减少保持架磨损。
文献[36]在车辆轨道耦合动力学模型基础上研究轴箱轴承的振动及载荷特征，结果表明轮轨激扰加剧了轴箱轴承振动，使滚子与滚道在非承载区发生碰撞，非承载区的最大碰撞力可达到承载区最大碰撞力的一半左右，轮轨激扰还会使滚子与保持架间的碰撞力增大，加剧保持架打滑。
3.6 振动
文献[37]分析了轴箱轴承在不同故障程度和速度下的振动特性，讨论了故障演变过程中车辆动力学性能和振动特性的变化，研究工作对车辆状态跟踪和监控具有一定的参考价值。
文献[38]建立了轴承损伤-振动耦合作用下的性能退化模型，并提出了针对该耦合模型的迭代求解方法。以6209深沟球轴承因压装不当引起的内圈内表面裂纹为研究对象，根据轴承振动力学模型建立轴承内圈性能退化模型，并通过数值模拟及试验平台进行了验证，试验结果表明：1)过盈配合会对轴承的载荷分布产生影响，主要表现为承载区域的改变；2)内圈内表面的裂纹会对轴承的振动特性产生影响，且在裂纹萌生初期中和过盈配合对轴承的影响；3)考虑损伤-振动耦合作用下的性能退化模型可以有效区分性能退化的不同阶段，剩余寿命的预测相对于无耦合模型更准确。
文献[39]详细研究了车辆与轨道耦合系统的动态激励对轴箱轴承动态相互作用的影响，结果表明：随着车辆行驶速度的增加，轨道不平顺引起的轮轨激励对轴箱轴承的振动有显著影响；在低速范围内，齿轮啮合的动态激励通常会影响轴箱的振动和轴箱轴承的接触力。因此，在评估轴箱轴承动态特性时，有必要考虑齿轮啮合和轨道不平顺的影响。
文献[40]提出了一种基于相关性分析的独立导向变分模态分解方法，用于自适应提取实际信号非平稳性和强背景噪声下轮对轴箱轴承的弱复合故障特征，对动车组轴箱轴承振动信号的故障提取具有一定的借鉴意义。
文献[41]根据内圈、外圈、滚动体等故障类型表现出不同的故障特征产生的振动频率进行了研究分析，为动车组轴承的故障诊断及检测提供了理论依据。
文献[42]通过分析振动信号特征和查找故障特征规律，确定了轴箱轴承故障缺陷判定标准并建立了较完整的轴箱轴承振动信号数据库和自动诊断系统，试验表明该系统能显著提高轴箱轴承的检测效率和准确性。
3.7 温升
文献[43]以某型高速动车组为例，建立了车辆轨道耦合动力学模型及双列圆锥滚子动力学模型，基于摩擦生热理论计算了轴承内各接触部位的摩擦功耗，结果表明：轴箱内部温度最高部位为滚动体与内圈挡边接触区；车轮多边形化对轴箱轴承温升几乎无影响，外圈故障会使轴承温度显著升高，而内圈故障对轴承温升的影响则相对较小。
文献[44]建立了车辆-轨道耦合动力学模型，分析了轴箱轴承运行过程中振动与温度的关系，根据动态特性对轴承温度特性进行了理论分析，并进行了长期的现场温度试验，结果表明：运行速度300 km/h时的轴箱温度高于200 km/h时的轴箱温度；时速一定的工况下，轴箱温度随运行时间的延长而升高，最终趋于稳定；动车轴箱轴承的温度普遍高于拖车轴箱轴承。
文献[45]针对检修维护中发现的轴箱轴承温升故障问题，采用系统的故障分析方法探究了轴承温升原因(图6)，分析认为CRH3系列动车组轴箱轴承温升达100 ℃以上的情况为非故障性温升，是轴承润滑脂黏度不合适、长大交路持续运行、外界环境温度过高等辅助因素综合作用的结果；若轴承无损伤，温度低于120 ℃，则可继续使用。并提出了优化轴承温度监控措施、更改润滑脂、优化运行交路、优化轴承设计等4条缓解轴承温升的建议，有效控制了轴承温升的故障率。
图6 轴承温升原因鱼刺图
Fig.6 Fishbone diagram of reasons for bearing temperature rise
文献[46]对某轴箱轴承进行温度场建模仿真分析，得出基于动力学的圆柱滚子轴承温度场宏观分布情况：最高温出现在轴承内滚道处，且受力最大的滚子温度最高，为分析判断温度对圆柱滚子轴承的影响提供了帮助。
文献[47]将局部加热法与弹性流体动力润滑理论相结合，分别建立了轴承滚道和挡边的发热模型，研究了轴承在多工况和结构参数下的发热特性，结果表明内圈最高温度位于挡边处，挡边将是轴箱轴承温升失效的关键部位，优化挡边参数将是控制局部温升和保证轴承运行可靠性的有效途径。
文献[48]以350 km/h高速铁路动车组轴箱轴承为研究对象，结合敏感度分析方法，定量分析并对比了载荷、速度对轴箱轴承温升的影响程度，结果表明：载荷增大和速度提高均会引起轴箱轴承温升的增大，且越来越剧烈；高载荷水平下，速度的提高引起的轴箱轴承温升的增长率更大，即速度的提高对轴箱轴承温升的影响更明显。
文献[49]对轴承运行原理和故障轴承数据进行分析，发现轴承匀脂的温升规律与运行时间及里程有关，并对现有动车组试运行方案进行了优化，有效避免了轮对轴承在运行载客初期因匀脂不均产生温度过高或温差超限的故障。
文献[50]研究了动车组实时轴承温度与室外温度、速度、轮对里程、轴承位置等特征参数之间的关系，分析轴温过高的原因，并基于RBF神经网络建立轴箱轴承温度预测模型以及故障预警系统。
3.8 小结
1)轴承钢及其热处理技术直接影响轴承疲劳寿命，在应用工况无法改变的情况下，采用更高等级的轴承钢并结合合理的热处理工艺，从而保证套圈及滚子的硬度和硬度梯度，可以减小轴承发生剥落的概率，有效抑制轴承早期失效。
2)轴承内部润滑脂的填充量及分布状态会影响轴箱轴承的温度状态，是影响轴承寿命的重要因素。
3)目前国内轴箱轴承密封结构可达到与国外性能相当或更优的效果，关键在于产品一致性的控制，需要严格控制密封罩、外圈牙口的制造精度以及密封罩的压装过程，从而保证轴箱轴承的密封性能。
4)理论上，采用对数形滚子可最大限度地减小滚子两端的边缘应力集中，利用贯穿式超精加工方法连续加工对数形滚子的关键技术是导辊形面的控制。
5)保持架主要由于冲击、高温等因素导致性能失效，其本身不是导致轴箱轴承故障的主要因素。
6)轴承套圈和滚子出现损伤会产生振动和噪声，理论上可以通过轴承振动或噪声信号分析监控识别轴承故障，但在高速动车组实际的强噪声运行工况下，提取异常轴承振动或噪声信号十分困难。
7)温度的变化是反映轴箱轴承故障的重要特征，高速、过载、润滑不良、安装不当等因素均会导致温升，温升过高则会引发其他故障，使轴承短时间内失效。目前，通过温升判断轴承状态是主要的故障识别方式。
4 轴箱轴承故障风险防范措施
基于轴箱轴承全生命周期，从设计、制造、使用阶段提出以下几点故障风险的防范措施。
4.1 设计阶段
建立和完善工况数据库、轴承失效数据库，开发专业的轴承设计分析软件，对轴箱轴承的主参数、游隙、润滑脂填充量以及动态性能等进行优化设计和模拟仿真分析，完成轴箱轴承的正向设计、性能和可靠性分析。
4.2 制造阶段
在轴承钢质量的一致性和稳定性方面，还需要持续进行以下改进：1)进一步提高材料质量，采用先进冶炼工艺及检测手段，在降低夹杂物总量的同时改善夹杂物的类型及分布，避免Ds类特别有害的大尺寸夹杂物出现，严格控制Ti等有害残余元素；2)提高材料的一致性、均匀性及稳定性，保证整批材料碳及合金元素均匀性，控制单批材料及多批材料的成分波动范围，提高成分的稳定性及一致性，从而保证同一零件及不同零件之间的性能均匀性一致，并制定轴箱轴承专用材料标准；3)开发新钢种，根据轴箱轴承的服役条件及性能要求调整合金成分，开发更适合的钢种，如贝氏体热处理专用钢等。
在热处理技术方面：1)优化热处理工艺；2)开展新的热处理及表面处理技术的研究及应用；3)加强工艺、质量管控；4)开发先进的热处理工艺设备。
在精密制造方面：1)系统考虑人员、设备、材料、工艺、环境等对轴承质量的影响因素，制订制造过程中人、机、料、法、环、测各要素的技术标准，采用自动化专用设备，尽量减少人为因素的影响；2)应用统计过程控制理论方法进行过程控制，消除系统性误差，确保轴承产品质量的稳定性；3)攻克I级圆锥滚子的稳定批量制造技术和设备。
4.3 使用阶段
发展振动、噪声、温度等多参数、多场域、多传感器、多类信号处理与判别、运行故障数据库及自供电技术，以及轴承实时监测及故障诊断预警系统，保障列车运行安全，减少故障监控系统的误报现象，并规范运维制度，保障轴承检修质量。
5 总结与展望
本文阐述了高铁轴承应用工况特点及其轴承类型，详细介绍了轴箱轴承在我国高铁上的应用情况及其结构，根据轴箱轴承故障研究现状将其故障类型归纳为滚动接触疲劳、锈蚀、开裂或断裂、磨粒磨损、黏着磨损、保持架塑性变形等6种；分析了轴承钢及其热处理、润滑脂、密封、保持架等轴箱轴承故障的影响因素以及造成振动、温升的原因，并基于轴箱轴承全生命周期，对设计、制造、使用阶段提出了故障风险的防范措施建议。
通过对比国内外文献调研发现，国内高速铁路动车组轴箱轴承已具备较好的研制基础，但由于缺乏装车运行，在设计、制造、试验和运维等方面与国外轴承仍存在一定差距：因此，亟需开展系统研究，补齐轴箱轴承设计、材料热处理、精密制造、润滑、密封、试验及运维方面的短板，完善我国轴箱轴承技术体系，确保轴承质量的稳定性和可靠性，尽快实现国产轴箱轴承的装车运行。
