——論我國高速動車組軸箱軸承自主化取得的成果和尚需解決的問題
作者：何加群
我國高速動車組列車已國產化，但其軸箱軸承仍全部依賴進口。高速動車組軸箱軸承自主化已成為國家重視、社會關注的國之大者。自2007年以來，國家有關部委，特別是國鐵集團（原中國鐵路總公司）組織實施了一系列高速動車組軸箱軸承的研發和創新項目，不斷推進高速動車組軸箱軸承自主化的進程，已經取得了一系列重要成果，我國高速動車組軸箱軸承自主化初見曙光。但是，還有一些問題有待解決。本文就此作一簡要論述。
一、我國高速動車組軸箱軸承自主化取得重要進展
（一）高速動車組軸箱軸承國產化應用的準入程序
高速動車組軸箱軸承作為一種安全性要求很高的產品，國產化應用須經過兩項程序：科研程序和認證程序。
1、科研程序
按鐵總科技[2014]68號文《中國鐵路總公司科技成果評價管理辦法》的規定進行（近年，對其中試用考核加嚴了要求）。
（1）立項：由國鐵集團科信部正式立項。
（2）技術方案評審：對經過充分研發形成的技術方案（設計圖紙）、技術條件（標準）進行評審。
（3）試用（試驗）評審：對通過技術方案評審后試制的樣品進行尺寸檢測、理化檢驗、臺架試驗（包括80萬公里耐久性試驗），對各項檢測和試驗結果進行評審。
（4）試用考核：對通過試用評審的產品，在非載客的高速動車組綜合檢測車上進行運行試用考核。
（5）技術評審：通過試用考核后，進行技術評審。
2、認證程序
通過科研程序的技術評審后，可進入產品認證程序（CRCC認證程序）。
認證程序按鐵總科技[2014]135號文《中國鐵路總公司鐵路專用產品認證管理辦法》進行。
（1）對生產企業進行檢查。
（2）由具備計量認證（CMA）資質的檢測機構對現場產品進行抽樣檢測試驗。
（3）專家綜合評價。
綜合評價通過后發放鐵路產品認證證書，產品裝車應用方正式準入。
（二）我國高速動車組軸箱軸承自主化邁出重要的步伐
2016年，國鐵集團啟動了由中國鐵道科學研究院牽頭實施的“高速動車組軸箱軸承關鍵技術研究”重大專項（以下簡稱“重大專項”），洛軸、瓦軸、洛軸所（后改為中浙高鐵）、河科大、四方所、興澄鋼廠、撫順鋼廠、中石化天津潤滑油、隆軒橡塑、南京利德東方等17個單位為項目組成員單位。
自2016年起，重大專項項目組充分運用自2007年以來國家有關部委組織實施的十幾項有關高鐵軸承的研發和創新項目的成果，對高速動車組軸箱軸承的各項技術進行了全面的研究和相應的型式試驗。進行了時速250公里復興號高速動車組軸箱軸承的仿真設計、樣品試制。并應用鐵科院新近引進的世界一流的試驗機對洛軸、瓦軸試制的時速250公里復興號高速動車組軸箱軸承進行耐久性試驗。2018年9月，順利通過了80萬公里耐久性試驗考核。同時，對時速350公里復興號，時速250公里、350公里和諧號高速動車組軸箱軸承進行了研發。
重大專項項目組的工作，為我國自主化高速動車組軸箱軸承進入裝車應用的準入程序（科研程序、認證程序）打下了良好的基礎。
2022年1月5日，國鐵集團科信部組織召開了對重大專項項目組組織研發的時速250公里CR300復興號動車組自主化軸箱軸承的試用評審會，時速250公里、350公里的CR400復興號和CRH2A、CRH380A、CRH380B和諧號動車組自主化軸箱軸承的技術方案評審會。
會上，洛軸、瓦軸研制的時速250公里CR300復興號動車組軸箱軸承通過了專家委員會的試用評審。鐵科院金化所的“動車組軸箱軸承總體技術方案”、洛軸的“CR400動車組軸箱軸承技術方案”、瓦軸的“CRH2A、CRH380A 動車組軸箱軸承技術方案”和中浙高鐵的“CRH380B動車組軸箱軸承技術方案”通過了專家委員會的技術方案評審，此后，可以按技術方案進行樣品試制，樣品試制出來后進行各項檢測試驗和80萬公里耐久性臺架試驗，各項檢測和試驗通過后可進行試用評審。通過試用評審后，即可在綜合檢測車上裝車試用考核。
在本次會議上，國鐵集團科信部作出了自主化高速動車組軸箱軸承在高速動車組綜合檢測車上裝車試用考核周期的新規定。新規定將大大縮短裝車試用考核時間，加快高速動車組軸箱軸承自主化的進程。
二、我國高速動車組軸箱軸承自主化取得的成果
（一）研發和創新成果
1、技術上的突破
（1）產品設計
我國鐵路運行環境復雜，東西南北環境差異大，濕熱（北京-廣州）、低溫（哈爾濱-大連）、風沙（蘭州-烏魯木齊）環境對高鐵車輛提出更高的要求，也使得作為 鐵路車輛驅動系統核心部件—軸承的服役條件變得尤為苛刻。
國內有關企業采集并編制了符合我國國情和高鐵實際運行工況的高速動車組軸承載荷譜，參考進口軸承應用情況的分析資料和進口軸承在我國高鐵使用中發生故障的軸承的失效模式的分析結果，開展靜力學仿真分析、產品數字化建模；采取正向設計與逆向設計相結合的方式，進行產品整體結構優化設計和微觀結構優化設計，包括套圈和滾動體工作表面凸度修型、滾動體球基面與擋邊接觸狀態、各工作表面硬度和粗糙度匹配等，以最大限度地降低應力集中，減少高風險點。
（2）鋼材
研發了制造高速動車組軸箱軸承內外圈的滲碳軸承鋼DZC1，其技術指標相當于GB/T3203-2016《滲碳軸承鋼》標準規定的高級優質鋼。研發了制造高速動車組軸箱軸承滾子的高碳鉻軸承鋼DZC2，其技術指標相當于GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》標準規定的特級優質鋼。
（3）保持架
研制了采用25%玻璃纖維增強聚酰胺66制造的保持架，具有強度高、抗沖擊、摩擦系數低、自潤滑、安全應急性能良好的特點。保持架材料的拉伸強度、彎曲強度、缺口沖擊強度、玻璃纖維含量、密度、熔點、紅外光譜、外觀及顏色均達到優質指標。
成品保持架的彎曲斷裂力、窗孔拉伸斷裂力、水含量及保持架外部尺寸和外觀、內部質量、徑向游動量、旋轉靈活性力求最優化。進行了保持架的力學性能和疲勞性能的型式試驗。
（4）密封組成
研制了丁腈橡膠、鋼骨架的密封組成。開發了密封粘接性能良好、高低溫下性能穩定的制造密封組成的膠料。膠料的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、密度、撕裂強度、壓縮永久變形、回彈性、低溫回縮溫度、熱空氣老化性能、耐使用潤滑脂介質性能均達到優質技術性能指標。
研發設計了低摩擦力矩、防水防塵防漏脂、低溫升、利于潤滑脂循環潤滑的密封結構。同時，研究了橡膠的硫化粘接技術和金屬表面處理技術，保證了橡膠與金屬的粘接質量，提高密封件的使用壽命。進行了研制的密封組成的防粉塵、密封材料性能、密封組成耐久性、密封組成噴泥水、密封組成高低溫扭矩等型式試驗。
（5）潤滑脂
在摩擦學研究的基礎上，研究了軸承潤滑狀態、油膜厚度、接觸區域演化、摩擦磨損的動態行為規律，研發了適用于高速動車組軸承的高效潤滑脂，提供了保證軸承安全運行的潤滑條件。研發的潤滑脂兼具高低溫性能，綜合性能良好。采用了多組分稠化劑、復配基礎油及多效添加劑。
研制的潤滑脂的工作錐入度、滴點、腐蝕及防腐蝕、鋼網分油、水分、蒸發量、水淋流失量、相似粘度、極壓性能、抗磨性能、氧化安定性、滾筒安定性、雜質含量、橡膠相容性、基礎油黏度、基礎油苯胺點、基礎油凝點等技術要求力求最優化。進行了潤滑脂的機械穩定性、臺架熱性能、加速老化耐久性、FAG FE8抗磨性能、FAG FE9臺架壽命、低溫性能、常規理化性能等型式試驗。
（6）臺架試驗
設計制造了高速動車組軸箱軸承耐久性試驗臺、防水密封試驗臺、防塵密封試驗臺和綜合性能試驗臺，編制了相應的試驗技術規范，按規范對試制的高速動車組軸箱軸承樣品進行了耐久性試驗、防水密封試驗、防塵密封試驗和綜合性能試驗。近年來我國高速動車組軸箱軸承耐久性臺架試驗情況見表1。
（7）示范生產線
洛軸、瓦軸、中浙高鐵投資近5億元，組建了高速動車組軸箱軸承示范生產線。生產線的生產能力已超過國內高速動車組軸箱軸承的需求量。示范生產線達到了國際先進水平。關鍵工序采用了國際上最先進的設備，如意大利NOVA公司的套圈磨加工設備、德國默德爾公司的滾子外圓磨加工設備、日本西部公司的滾子球基面磨床等。
2、產品水平
試制的自主化高速動車組軸箱軸承為自密封雙列圓錐滾子軸承。（如圖1）
由于以上技術上的突破，試制的產品技術指標達到國外同類產品的水平：
•精度P4級
•軸重≧18t
•極限轉速3000r/min
•徑向載荷86kN
•溫升﹤80℃
•運行環境溫度-40℃~+40℃
•使用壽命290萬公里，免維護周期不低于145萬公里。
三、我國高速動車組軸箱軸承自主化尚需解決的問題
（一）設計和分析
瑞典SKF、德國FAG、日本NSK、NTN均在進行動力學仿真分析的基礎上，進行正向設計。我國企業是在靜力學分析的基礎上，正向設計和逆向設計相結合，進行高速動車組軸箱軸承的產品設計。在設計中很大程度依據對國外軸承在我國應用情況的分析，和對國外軸承在我國高鐵應用中出現故障的軸承的失效形式的分析。設計的軸承成品可以做到“形似”，尚不能完全做到“神似”。雖然對成套軸承和套圈、滾子、保持架的 構進行了研究，但對bm值的確定、套圈和滾子工作面凸度修型和應力的關系、保持架的動態性能等，均未作深入研究。
額定動載荷和額定壽命計算中的bm系數，直接影響軸承基本額定載荷Cr、Ca的計算值，從而對軸承基本額定壽命L10的計算值產生很大的影響。GB/T6391-2001/ISO281:2007《滾動軸承額定動載荷和額定壽命》中規定：“bm為當代常用優質淬硬鋼軸承和良好加工方法的額定系數，該值隨軸承類型和設計不同而異。”該標準規定，球軸承bm=1.1-1.3，滾子軸承bm=1-1.15。這個系數與鋼材品質有很大關系，在當今已研發應用高等級軸承鋼，如GB/T18254-2016規定的特級優質軸承鋼、GB/T38885-2020規定的超高潔凈軸承鋼，還有正在研發的高氮馬氏體不銹鋼等的情況下，GB/T6391規定的bm系數取值需要調整。現在，對bm取值存在缺乏科學性的任意性。去年，鑒定一個企業的科技成果項目，一位資深專家問：“你們bm值取多少？”回答：“1.5”，資深專家又問：“取bm=1.5的依據是什么？”回答不上來。說明這個項目bm值是任意取的。這個問題具有普遍性。在高速動車組軸箱軸承的額定動載荷和額定壽命計算中也存在這個問題。這個問題的解決，需要我們與研制軸承鋼的排頭兵企業一起，經過充分的試驗、驗證，根據應用鋼材的種類、冶煉方法、質量等級確定科學的bm取值和取值方法，以科學地進行bm取值。
高速動車組軸箱軸承的工作表面，包括內外套圈滾道、滾子工作表面的凸度修型，似乎是已解決的向題，其實不然�，F在業界公認的最佳型面是對數曲線凸度型面。對數曲線型面的設計似乎不太復雜，但如何通過磨加工、超精加工，精確加工出符合設計的對數曲線型面，如何精確檢測加工出的型面是否符合設計的對數曲線型面，這是需要解決、而目前沒有解決的問題。而最大的問題是凸度值應該取多大，凸度位置應如何配置，是一個現在還沒有完全解決的問題。凸度的位置和大小，不可以任意選定，應構建載荷譜，按載荷的性質、大小、分布，數字化建模，分析計算，從而得出凸度正確的坐標和大小數值。這項工作希望在這方面造詣很深的專家和企業家，充足發力，加以解決。
應建立保持架穩態分析模型和動力學分析模型，建立保持架運動方程和碰撞、沖擊振動方程，研究保持架設計參數對其轉動慣量、運動軌跡、運動穩定性、碰撞和沖擊振動響應的影響的規律。通過以上分析研究，確定合理的設計參數，以保證保持架運動穩定性和抗沖擊能力。
（二）研發成果的系統集成
自2007年以來，高鐵軸承的開發實施了國家不同部門下達的十幾個重大研發和創新項目。這些項目是國家不同部門、在不同時期組織實施的。不同部門之間、同一部門不同時期實施的項目之間，未經過很好協調。實施項目的企業間，包括軸承企業間、軸承企業和高鐵軸承用戶間，都缺少交流和溝通，各自的研發成果碎片化，缺乏系統集成。國鐵集團“高速動車組軸箱軸承關鍵技術研究”重大專項和中國工程院“高速鐵路軸承自主化途徑研究”咨詢研究項目已對高速動車組軸箱軸承的研發成果的系統集成進行了卓有成效的探索。希望與軸承有關的大學和作為軸承行業原創技術策源地的軸承領航企業，在碎片化的研發成果的進一步系統集成和再創新上充足發力。
（三）應用鋼材的研究
跨國軸承公司研發應用了制造高速動車組軸箱軸承的專用鋼材和相應的熱處理工藝。
對于高速動車組軸箱軸承套圈，SKF前期采用SKF3（相當于GCr15）高碳鉻軸承鋼，整體馬氏體淬火+相應的高溫回火。近年開發了專利貝氏體淬火鋼XbiteⅡ及相應的貝氏體淬火工藝；FAG采用100Cr6（相當于GCr15）高碳鉻軸承鋼，貝氏體淬火；NTN和NSK采用SNCM420（相當于G20CrNi2Mo）滲碳鋼，滲碳+淬火。
對于高速動車組軸箱軸承滾子，SKF采用SKF3高碳鉻軸承鋼，馬氏體淬回火，較高的淬火溫度，較低的回火溫度；FAG采用100Cr6高碳鉻軸承鋼，馬氏體淬回火，正常的淬火溫度，較高的回火溫度；NTN和NSK采用SUJ2（相當于GCr15）高碳鉻軸承鋼，馬氏體淬回火，正常的淬火溫度，較高的回火溫度。
我國企業對制造高速動車組軸箱軸承的鋼材和熱處理未作深入研究，對跨國軸承公司采用不同的鋼材，不同的熱處理工藝的機理并未真正掌握。
制造高速動車組軸箱軸承內外圈的鋼材，歐系（SKF、FAG）軸承采用高碳鉻軸承鋼，日系（NSK、NTN）軸承采用滲碳軸承鋼。我國現在研制的自主化高速動車組軸箱軸承采用日系技術路線-滲碳軸承鋼。對于歐系、日系二條技術路線各有什么優勢、劣勢，我們為什么要采用日系技術路線，應該研究清楚。
自主化高速動車組軸箱軸承套圈采用G20CrNi2MoA滲碳軸承鋼，國鐵集團重大專項“高速動車組軸箱軸承關鍵技術研究”項目組擬定的技術條件中規定：“鋼應采用真空自耗重熔（VAR）或爐外精煉（RH）方法冶煉”，即冶煉方法電渣重熔和真空脫氣二種方法均可采用，只要能達到規定的技術要求。
但業界還是偏向應用電渣重熔鋼，這可能是一種慣性思維。因為從1979年起，我國鐵路貨車軸承“滑改滾”（滑動軸承改滾動軸承），一直應用電渣重熔鋼，實踐證明效果良好。為突破偏向應用電渣重熔鋼的慣性思維，應回顧一下歷史。1978年從日本引進鐵路貨車軸承設計制造技術，引進的技術文件上規定制造軸承內外圈的滲碳軸承鋼冶煉方法為“真空脫氣”，因當時國內制造鐵路貨車軸承的鋼材的定點生產廠家沒有真空脫氣冶煉技術，只有電渣重熔冶煉技術，鐵道部只得將技術條件上冶煉方法改為“真空脫氣（或電渣重熔）”。過了一段時間，電渣重熔鋼使用效果良好，國內真空脫氣冶煉技術還沒有發展起來，鐵道部又將冶煉方法改為“電渣重熔（或真空脫氣）”，后來干脆把（或真空脫氣）去掉，改為“電渣重熔”。如當時像現在這樣，國內特鋼廠真空脫氣冶煉技術得到長足發展，就不必要作這樣的改動。
確實，電渣重熔鋼有的性能，如沖擊韌性優于真空脫氣鋼，大冶特鋼對不同冶煉方式生產的滲碳軸承鋼G20CrNi2MoA進行同等條件下的對比試驗，用電渣重熔法冶煉的沖擊功125J，而用真空脫氣法冶煉的沖擊功為97J。但經過大的技術改進，興澄特鋼研發的用真空脫氣法冶煉的高等級鐵路軸承用鋼G20CrNi2MoA，沖擊功已達到電渣重熔鋼的水平，有的性能如氧含量還優于電渣重熔鋼。
在二種冶煉方法生產的滲碳軸承鋼都能滿足高速動車組軸箱軸承長壽命、高可靠性的要求的情況下，是不是一定要采用冶煉耗電量大得多，從而成本和價格也高得多的電渣重熔鋼，這應該是我們要研究和解決的重要問題。
四、必須努力達到我國高鐵發展規劃對高鐵軸承自主化提出的更高要求
2020年8月，中國國家鐵路集團有限公司（國鐵集團）正式公開發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》（以下簡稱《規劃綱要》），以系統化頂層設計文件的形式，明確了中國鐵路未來30年的發展藍圖。
《規劃綱要》提出，到2035年，率先建成現代化鐵路網，全國鐵路網由14萬公里增加到20萬公里左右，其中高鐵由3.6萬公里增加到7萬公里左右。
《規劃綱要》提出新型載運工具，要加快復興號系列化動車組研制，研究新一代高速動車組、智能動車組、城際及市域動車組、旅游新型列車、換代升級普速客車。研發高速貨運動車組、3萬噸級重載列車以及時速160公里以上快捷貨車、27噸及以上軸重重載貨運、標準化集裝化貨運裝備、新型冷鏈、馱背運輸、跨境聯運及特種貨運等新型專用車輛。
我國高鐵的發展，勢必對高鐵軸承的品種、水平、質量和需求量提出更高的要求。
（一）必須達到高鐵軸承使用壽命和免維護周期的更高要求
鐵路部門對壽命及免維護周期提出了新的更高要求。既有和諧號動車組及復興號動車組軸箱軸承使用壽命要求為240萬公里，免維護周期里程為120萬公里。最近，國鐵集團擬將高速動車組軸箱軸承使用壽命復興號延長到330萬公里，免維護周期不低于165萬公里，和諧號延長到290萬公里，免維護周期不低于145萬公里。（見表2）。
（二）高鐵軸承智能化已成為必然趨勢
高鐵軸承的智能化，包括發展智能動車組裝用的軸承和非智能動車組裝用的智能軸承，已成為必然趨勢。
（三）著力進行各種新車型的配套軸承研發
我們要按《規劃綱要》提出的新型載運工具發展方向，與以下新型動車組的研發同步，力爭超前，進行下列動車組軸承的研發→工程化→產業化：
•復興號系列化動車組軸承；
•新一代高速動車組軸承；
•智能動車組軸承；
•城際及市域動車組軸承；
•高速貨運動車組軸承。
五、著力化解自主化高速動車組軸箱軸承上車應用的風險
高速動車組軸箱軸承自主化是新生事物，任何新生事物都有風險。高速動車組軸箱軸承上車應用的風險，是科學問題，應以科學精神對待。有關各方都應積極支持國鐵集團勇于創新，實現突破。要以科學精神，化解國產高鐵軸承應用風險，為國鐵集團解除后顧之憂。
應充分發揮國鐵集團重大專項“高速動車組軸箱軸承關鍵技術研究”研發成果的作用，化解國產高速動車組軸箱軸承應用風險。
1、對進口高速動車組軸箱軸承發生的故障深入研究，引為鑒戒。截至2019年，我國總計運用進口高速動車組軸箱軸承22萬套，發生故障的軸承550套，故障率0.25%。主要故障為軸承內外圈滾道剝落、保持架塑性變形或斷裂、磨損、滾子碎裂、溫升、異音、點蝕、表面壓痕等。
我們應對發生故障的進口軸承的故障類型、故障致因和故障機理進行深入研究，識別故障風險因素，提出基于高速動車組軸箱軸承全生命周期的故障風險防范措施，以確保故障風險可防可控。
2、借鑒我國鐵路貨車軸承防范“熱軸”、“熱切軸”的經驗教訓。我國于1978年從日本引進鐵路貨車軸承設計制造技術，從1979年開始“滑改滾”（滑動軸承改滾動軸承）。隨著滾動軸承用量逐步增加，1980年代、1990年代，特別是1990年代，全國鐵路貨車軸承“熱軸”事故頻發，特別是發生了二、三十起由“熱軸”發展到“熱切軸”、車輛顛覆的重大事故。由于軸承制造和應用的質量提高、“熱軸”監測和防范措施的完善，進入新世紀，已杜絕了“熱切軸”重大事故，“熱軸”事故也大幅下降。雖然鐵路貨車軸承和高速動車組軸承在使用工況，在精度、性能、壽命和可靠性上不可同日而語，但二者類型和結構類似，高速動車組軸箱軸承可以看作是貨車軸承的升級版。高速動車組軸箱軸承的研發制造，應該記取我國貨軸承1980年代、1990年代一次又一次“熱軸”以至“熱切軸”的慘痛教訓，借鑒進入新世紀以來我國貨車軸承防范“熱軸”以至“熱切軸”的經驗，提高故障風險防范能力。
3、應用重大專項組成員單位興澄特鋼、北京隆軒、南京利德東方、中石化天津分公司研制的達到國際先進水平的高速動車組軸箱軸承專用鋼材、塑鋼保持架、密封件、潤滑脂制造軸箱軸承，嚴格按重大專項組制訂的技術條件制造、驗收和使用。
4、洛軸、瓦軸的高速動車組軸箱軸承專用生產線已達到國際先進水平（其中關鍵設備從國外引進），利用該生產線開發先進制造工藝，優化固化制造工藝，確保制造的軸箱軸承達到重大專項組制定的各項技術指標，確保每批產品和各批次產品質量的一致性和穩定性。
5、洛軸、瓦軸應加嚴軸箱軸承制造過程和成品的常規質量檢驗，強化對軸箱軸承的特殊檢驗項目，如軸承零件加工后100%無損探傷、酸洗燒傷檢驗等。
6、建議國鐵集團運輸局驗收室加嚴對高速動車組軸箱軸承進入使用前的驗收。
7、建議國鐵集團加嚴對高速動車組軸箱軸承使用全過程運行狀況（溫升、振動、噪聲等）的監測，對可能出現的軸承故障及時預警，將故障消除在萌芽狀態。洛軸、瓦軸應組織高速動車組軸箱軸承安全運行跟蹤服務團隊，對軸箱軸承的安全運行進行全生命周期的跟蹤服務。
結語：
高速動車組軸箱軸承自主化是國家重視、社會關注的國之大者。我們要凝聚共識，整合資源，充足精準發力，充分發揮已經取得的成果的作用，著力解決尚需解決的問題，加快高速動車組軸箱軸承自主化的步伐，力爭早日實現我國高速動車組軸箱軸承自主、安全、可控。
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（來源：中國軸承工業協會）
