摘要：铁路车辆轴颈/轴箱轴承过盈装配在轮对的车轴上，与轮对一道，起支撑转向架及车辆、实现轮对转动变车辆移动的作用。服役时承受转向架及车体通过承载鞍传来的车辆随机振动载荷，以及轮对因左右轮轨接触条件不一致而产生的随机弯扭载荷，滚动接触疲劳是其服役的主要损伤模式，一般先造成滚子及内外圈滚道剥离，伴随摩擦因数增加及温升，在导致轴承失效的同时，甚至可能造成车轴温升引起热切轴，危及列车运行安全。因此，轴颈/轴箱轴承失效，是铁路运输科技关注的焦点问题之一。
关键词：铁路车辆；轴承；设计载荷；概率寿命
一、铁路货车轴承及寿命影响原因
常规轴承及寿命分析，一般在理想受载位置及状态下进行。然而，在实际生产中，由于如下原因，货车轴颈轴承难以到达理想位置。
(1) 设计制造。货车自重偏置量的初始大小，与货车设计配置及制造装配设备及工艺过程所产生的偏差、检验控制标准相关。
(2) 装配。包括轮对装配偏差，涉及轴承-车轴以及轮-轴之间装配位置及精度；转向架构架装配偏差，涉及摇枕-侧架安装偏差，侧架导框-轮对承载鞍装配的间隙及偏差；车体-转向架-轮对装配 偏差。
(3) 服役漂移。服役时零部件在外力作用下沿摩擦面的磨损与滑移；紧固件在动态载荷作用下的逐渐演变松动；累积变形。因此，货车偏载问题，有部分是在服役中逐渐演变出来，需要服役维修管理来控制。
偏载，物理上造成车辆左右、前后轮轨接触点与轮对支撑以上质量质心的非对称性，耦合成车辆轴承及车体、转向架、轮对及线路的非对称动力学工作环境。不仅对轴承的服役性能及寿命产生影响，还对列车及车辆运行的动力学性能及相关零部件及线路的损伤产生影响。研究偏载对轴承寿命的影响规律，所以仅引用动力学研究相关结果，通过建立偏载条件下车辆及轮对的简化牛顿惯性力学模型，实现车辆轴承载荷的确定，进而根据国际标准化组织标准 ISO281[1]规范中的轴承概率寿命评估方法，分析偏载下轴承的概率寿命及影响规律。
二、轴承服役载荷模型
根据铁道车辆轮对类型及受载特点，主型铁道车辆的轮对可归类如下：①踏面制动拖车(货 车)轮对；② 轴盘制动拖车轮对；③ “踏面/轮盘+再生制动”驱动轮对。车轴左右侧 2 个轴颈/轴箱轴承，一方面受到承载鞍/轴箱传到外圈的垂向、轴向和沿轨道方向的载荷 P1V、 P1H和 P1L及 P2V、P2H和 P2L；另一方面内圈与车轴过盈装配，固定在轮对车轴上，轮对满足惯性力平衡。
可能的轴承设计评价载荷分析，现有可能的轴承设计评价载荷，根据规范取决于车辆轮对之上质量m1 的垂向动荷系数 av 和横向动荷系数 aH，其中标准 规定：普通轮对的 av 值为 0.25、aH 值为 0.15，导向轮对的 av值为 0.25、aH值为 0.175；标准 JIS E 4501[1]规定确定 av 和 aH 值。根据标准EN13979-1，包括车辆直道、弯道和过道岔工况，轮轨接触载荷作用在图示位置。如图所示。
根据图所示车辆轮对的惯性力学模型，确定出满足前述标准的轴承载荷计算公式：
1、轴承性能及寿命评价方法。铁路轴颈/轴箱轴承，通常采用压力角α小于 20°的双列圆锥滚子轴承，在标准 ISO281中属于径向滚子轴承序列。轴承抗动态滚动接触疲劳的能力用额定径向动载荷 Cr 来度量，计算方法如下：
2、合理设计评价载荷
（1）轴承设计条件与方案。
设计条件：某重载货车轴颈轴承，满载轴重
Wa1=35.7 t、空载轴重 Wa2=5.27 t、满-空工作时间率β1= β2 =0.5，轮对质量 m2=1.57 t，满载重心高度 h1= 1719 mm、空载重心高度 h2=1 070 mm、左右轴承二分之一间距 b=1 003.3 mm，车速 v=80 km/h，车轮滚动圆直径 D =970 mm。设计方案：内圈孔径 157 mm，外圈表面直径250 mm，轴承宽度 160 mm，滚子有效长度 Lwe=50 mm、列数 i=2、个数 Z=23、直径 Dwe=21.6 mm、压力角 α=10o、节圆直径 Dpw=202.9 mm。
（2）轴承能力计算。根据式确定该轴承设计方案的轴承类型系数 bm=1.1，轴承滚子几何形状 fc=84.909 17，计算得到该轴承额定径向动载荷 Cr=944.778 kN。
3、载荷及额定可靠性寿命
(1) 标准AAR M 934中的寿命预测载荷严苛于台架试验载荷，前者有 30 万 km，后者有 54 万 km。标准 EN 12082 的台架试验载荷严苛于标准 AAR M 934 中载荷，由于较大的横向载荷作用，使轴承概率寿命 L10 仅有 8 万余 km。
(2) 按标准 EN13979-1 中考核车轮疲劳强度设计的轮对载荷条件，对于轴承，弯道运行最严苛，由于轴向载荷作用使导向轮对上轴承的概率寿命L10 计算结果不足 3 万 km，非导向轮对轴承也仅有4 万余 km。过道岔工况，导向及非导向轮对轴承的概率寿命 L10 分别有 30 万 km 及 23 万余 km。而直道运行工况最宽泛，由于没有轴向载荷，轴承 L10概率寿命超过 80 万 km。但实际轨道车辆运行，不可能没有轴向力。因此，这种基于特种工况的疲劳强度评估方法，对服役是各类工况都经历的部件，难免有失偏颇。
(3) 按考核车轴疲劳强度设计的轮对载荷条件考核轴承，标准 JIS E 4501 较标准 EN 13103/EN13104 更为严苛；按标准 JIS E 4501，轴承的概率寿命 L10为 12 万余 km；按标准 EN 13103/EN 13104 为19 万 km，而装在非导向轮对上的轴承为 23 万 km。由此可见，现有可能应用于轴承设计的各类载荷并不一致。摒弃前述没有轴向力及特定工况的考核方法，现有考核车轴疲劳强度设计的轮对载荷条件，以及标准 EN 12082 中包含轴向载荷的轴承台架试验载荷条件，对应的轴承载荷，作为轴承的设计评价载荷，具有一定合理性。实际上，实例所示轴承在实际运营中，轴承内外圈滚道的疲劳剥离失效，服役寿命应用按考核车轴疲劳强度设计的轮对载荷条件，考核轴承的结果接近。因此，进一步考虑货车与机车的服役动力学条件较客车和动车恶劣，针对货车与机车轴颈轴承，建议按标准 JIS E 4501 规定的轮对载荷条件作为轴承的设计评价载荷；针对客车及动车组轴箱轴承，建议按标准 EN 13103/EN 13104 规定的轮对载荷条件作为轴承的设计评价载荷；台架试验，由于不必试验到全寿命，建议按较设计更为严苛的 EN 12082 台架试验载荷条件进行考核。
结论
(1) 偏载使轮轨接触与车辆质心处于非对称状态，恶化车辆的动力学性能，降低动力部件的服役寿命。分析关键部件的影响规律与程度，可以指导车辆制造装配与服役管理。
(2) 建立了偏载下铁路货车及轮对的简化力学模型和轴颈轴承受载的确定方法；结合 ISO 281 建立了铁路双列圆锥滚子轴颈轴承概率寿命的评估方法。
参考文献：
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