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          1. RDK軌道交通軸承高可靠性滿足列車運行要求

            RDK軸承是軌道交通車輛的關鍵零件之一,對于車輛的運行安全和可靠有著至關重要的影響。RDK總結了提高軸承制造質量的主要技術手段,以提高軸承的應用可靠性與核心競爭力。軸承在運行過程中,疲勞破壞是威脅其安全的主要失效模式。因此,高可靠性與長壽命使軌道交通軸承具有核心競爭力,高可靠性制造技術是軌道交通軸承制造首先要解決的關鍵問題。

            1 軸承失效機理

            滾動軸承在載荷下旋轉,滾動體與內外套圈的滾道接觸產生交變應力。經過一定時期交變應力的作用,接觸表面產生微觀裂紋(見圖 1),逐漸發展成為宏觀裂紋(見圖 2、圖 3、圖 4)而形成疲勞破壞。疲勞破壞是滾動軸承典型的失效形式之一。

            造成滾動軸承的疲勞失效的原因主要有設計、材料、制造及安裝維護等,其中,設計導致疲勞破壞的原因主要有額定載荷不足或不準確、結構不合理以及選材不當等;材料導致疲勞破壞的原因有材料存在冶煉缺陷、化學成分不合格、熱處理工藝不當以及顯微組織不符合標準等;使用維護導致疲勞破壞的原因一般為超載、偏載、大載荷沖擊、潤滑不足、維護不當和侵蝕(腐蝕介質和溫度)等;制造工藝導致疲勞破壞的主要原因為尺寸超差、幾何精度低、表面粗糙度不足、游隙不合格、工作表面有毛刺、劃傷、裂紋等缺陷等。對于軌道交通軸承,疲勞破壞是一種危險的失效模式,對其服役安全構成最大的威脅。

            2 高可靠性制造的關鍵技術

            降低軸承疲勞失效需要從基本的軸承高可靠性制造開始,實現軌道交通軸承高可靠性制造的關鍵技術主要包括以下內容。

            3.1 鍛造成型技術

            鍛造成型技術是指采用先進的鍛壓加工技術,通過對工藝過程的控制以獲得無連接、無內部缺陷、組織均勻的整體毛坯制件,從而降低應力集中,提高疲勞壽命。鍛造成型最關鍵的是控制鍛造的溫度,通過溫度監控裝置可有效避免傳統的鍛造工藝產生的過燒和過熱現象(見圖5),保持良好的金相組織。

            通過采用先進的模鍛、碾擴及整徑工藝技術,使鍛件毛坯整徑實現平幅精化,是目前最先進的鍛造生產工藝,可準確控制鍛件尺寸精度及金屬的流線方向,確保軸承套圈毛坯的鍛造質量。

            3.2 材料熱處理技術

            (1)精密熱處理技術

            軸承零件的熱處理技術是指以加熱—冷卻方式控制材料的相變、組織和性能,實現對零件的硬化處理,提高軸承的抗疲勞性能和耐磨性,因此軸承的使用壽命與表面硬度直接相關。軌道交通軸承根據材料不同采用不同的熱處理方式。G20CrNiMoA滲碳軸承鋼零件采用滲碳淬火熱處理方式,零件表面硬度達到59~63HRC;GCr18Mo高碳鉻軸承鋼的零件采用下貝氏體淬火的熱處理方式,零件表面硬度達到58~62HRC;滾動體一般采用GCr15高碳鉻軸承鋼制造,其表面硬度達到60~64HRC。

            為使軸承具有抗疲勞特性,必須采用先進的精密熱處理技術,例如真空熱處理,盡最大可能減小碳化物尺寸、減少網狀結構,從而提高軸承的接觸疲勞壽命。真空熱處理還可以保持軸承表面的潔凈,加速化學熱處理的吸附和反應過程。

            (2)表層硬化技術

            表層硬化技術是指通過適當的方法使結構件表層達到高硬度,而心部具有強韌性,以改善結構件的疲勞、沖擊及磨損性能。通常的工藝有滲碳、滲氮和表面淬火等。表層硬化是一類十分有效的提高疲勞強度和延長壽命的技術,是表面完整性制造的核心技術之一。

            軌道交通軸承G20CrNiMoA滲碳軸承鋼的套圈采用滲碳淬火處理,實現零件表面硬化,表面硬度達到59~63HRC,而心部硬度在32~45 HRC,從心部到表面形成硬度梯度變化(見圖6),同時細化晶粒、消除拉應力、預置壓應力,保證套圈具備較高的抗疲勞、抗沖擊及耐磨損性能,最終延長套圈的疲勞壽命。

            3.3 高精度制造技術

            磨加工是軸承制造中延續最長的工藝鏈。軸承的疲勞強度對應力集中極為敏感,表面劃傷、燒傷、裂紋等缺陷造成的應力集中可遠超過材料的抗拉強度,使疲勞壽命明顯下降。同時,磨加工的表面變質層疊加在零件表面硬化層之上,改變了組織結構和殘余應力場,會大幅度降低軸承的疲勞強度、壽命和可靠性,表面應力集中越高,疲勞強度、壽命和可靠性降低越嚴重。

            (1)工作表面硬車技術

            軸承零件粗磨時因零件表面氧化層會充滿砂輪顆粒間隙,降低磨削效率,增加磨削熱量,造成零件表面燒傷。采用硬車代替粗磨工藝(見圖7),可有效控制磨削燒傷變質層,并提高加工表面形狀和尺寸精度。

            (2)工作表面復合磨削技術

            外圈磨加工采用雙滾道雙牙口復合磨削設備,砂輪軸可根據撓度進行自動補償,保證了兩滾道與牙口的尺寸相互差和同軸度標準。

            內圈滾道及擋邊磨加工采用進口數控復合磨削設備。砂輪軸可自適應閉環補償并擁有在線修整加工技術,以提高軸承的形位精度。

            滾子球基面及外徑采用數控加工設備,實現復合一次成型磨削,由于球基面采用切入成型技術,保證了滾子球基面R尺寸的可控性和穩定性;同時外徑通過切入磨削可以精準實現滾子滾動表面的對數曲線加工。

            (3)工作表面超精研技術

            零件工作表面的超精研加工可去除表面的加工變質層,改善表面粗糙度,使工件表面形成壓應力,有效抑制疲勞裂紋的產生和擴展速度,延長疲勞壽命。通過研究油石擺動頻率與幅度、工件速度、油石壓力等參數對滾動表面超精的影響,形成獨特的交叉網狀紋超精研工藝技術(見圖 8),可有效提高滾道表面精度,改善工作表面潤滑狀態,降低運行溫升。

            3.4 軸承套圈表面防護技術

            長效腐蝕防護技術是指隔絕極端環境,保持關鍵結構件的極限服役性能,以保持其長壽命和高可靠性,主要包括表面改性、表面防護、表面涂覆等。

            對于無軸箱或防腐蝕性能要求高的軌道交通軸承,由于需要在惡劣的環境中運營,為防止軸承表面的腐蝕,需要對軸承套圈進行磷化處理,在套圈表面形成牢固的磷化膜,實現軸承在惡劣的運營環境下的防腐作用。磷化膜與金屬工件是一個結合緊密的整體結構,其間沒有明顯界限。由于磷化膜具有微孔,對油類、涂層有良好的吸附能力,所以能夠改善軸承的潤滑性能。

            3.5 軸承的無損檢測技術

            無損檢測(NDT)是指對材料或工件實施一種不損壞或不影響其未來使用功能的檢測手段。通過無損檢測,能夠發現材料或工件表面和內部所存在的缺陷,測量工件的幾何特征和尺寸,測定材料或工件的內部組成、結構、物理性能和狀態等。無損檢測可應用于產品設計、材料選擇、加工制造、成品檢驗、在役檢查(維修保養)等方面,在質量控制與降低成本之間起最優化的作用。

            無損檢測的方法有很多種,常用的主要有超聲檢測(UT)、射線照相檢測(RT)、渦流檢測(ET)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)等五大常規方法。

            鐵路軸承采用的無損檢測方法主要是超聲波檢測、磁粉檢測和渦流檢測,其中以磁粉檢測和渦流檢測為主要方法,超聲波檢測目前只在部分產品中采用,國內主要軸承供應商目前正在軌道交通軸承及其它重點產品上進行超聲波探傷的推廣應用。

            3.6 疲勞壽命評價與試驗技術

            軸承疲勞壽命評價與試驗技術是指通過試驗設備對軸承材料、成品軸承的可靠性進行測試及評價,主要包括材料疲勞試驗、臺架熱試驗及耐久性試驗等。

            3.6.1 材料疲勞試驗

            將不同軸承鋼采用推力試片進行疲勞壽命對比試驗,試驗條件見表 1,試驗參數根據不同工況確定。在高速重載工況下,根據材料疲勞試驗結果,對不同軸承鋼材料的接觸疲勞壽命及壽命離散度進行評估,分析軸承材料的冶煉質量對軸承性能和壽命的影響,選擇性能優良的材料。

            3.6.2 臺架熱試驗及耐久性試驗

            軸承的臺架熱試驗及耐久性試驗是通過采用專用試驗設備對軸承在模擬工況下運轉能力的檢驗,目前我國軌道交通軸承試驗的依據主要為TB/T3017.1-2016或EN12082標準,標準中規定了軌道交通類軸承應用性能及可靠性的模擬工況試驗參數、試驗方法、認可標準及試驗結果檢驗等。

            軸承的試驗是對軸承的新產品定型、成熟產品性能穩定性等的檢驗驗證,來判定軸承是否滿足列車的運行要求。如果不滿足列車的運行要求,則進一步分析影響軸承運行壽命及可靠性的因素,制定改進措施,驗證改進措施的有效性,確保軸箱軸承、密封元件、油脂等性能滿足列車運行要求。


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