大軸重鐵路貨車軸承選型與設(shè)計(jì)

宋世勇，崔傳榮，頓麗華

大軸重鐵路貨車軸承選型與設(shè)計(jì)

宋世勇，崔傳榮，頓麗華

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 瓦房店 116300）

根據(jù)重載貨運(yùn)需求，借鑒既有鐵路貨車軸承成功使用的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了重載鐵路貨車軸承選型、設(shè)計(jì)及維護(hù)的研究，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真分析及綜合試驗(yàn)等手段，實(shí)現(xiàn)了重載鐵路貨車軸承的合理設(shè)計(jì)，滿足了重載鐵路貨車的使用要求。

重載鐵路貨車軸承；微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；接觸應(yīng)力；塑料保持架；整體式輕接觸迷宮密封

1　前言

當(dāng)前，世界各國(guó)鐵路發(fā)展呈現(xiàn)著“客運(yùn)高速”和“貨運(yùn)重載”兩大趨勢(shì)，也就是說世界鐵路向客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化方向發(fā)展。因?yàn)槲覈?guó)的鐵路貨運(yùn)的速度、密度已經(jīng)趨于飽和，提高鐵路貨運(yùn)能力也主要靠提高載重來實(shí)現(xiàn)，研制大軸重貨車則是我國(guó)鐵路貨運(yùn)的發(fā)展方向。

軸承是鐵路貨車的關(guān)鍵零件之一。軸承支撐著車體的質(zhì)量和載荷，是車輛穩(wěn)定高速運(yùn)行的基本保障。軸承是高速旋轉(zhuǎn)的部件，軸承故障不僅會(huì)引起軸承的損傷，而且會(huì)危及列車的安全運(yùn)行，因此需要對(duì)大軸重鐵路貨車軸承的選型、設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)開展深入分析研究，預(yù)防故障的發(fā)生。

2　軸承選型

我國(guó)鐵路貨車軸承采用無軸箱應(yīng)用形式，軸承通過承載鞍與轉(zhuǎn)向架（見圖 1）相連，承受整個(gè)車體重量，軸承載荷除了車體重量外，還需承受來自鋼軌的沖擊載荷和轉(zhuǎn)彎時(shí)的軸向載荷，因此軸承在選型時(shí)，除了要考慮軸承能夠承受較大的載荷外，還要滿足一定的耐沖擊載荷和軸向載荷。當(dāng)前，國(guó)際上使用的軸承類型主要是載荷容量較大的圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承。

圓柱滾子軸承徑向承載能力較大，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也能承受一定的軸向載荷。圓錐滾子軸承既具有較大的徑向承載能力，也具有較大的軸向承載能力，更適合我國(guó)的鐵路線路工況，目前我國(guó)的鐵路貨運(yùn)列車軸承主要采用圓錐滾子結(jié)構(gòu)?？紤]到軸承的低成本化和使用維修周期長(zhǎng)，根據(jù)圓錐滾子軸承承載特點(diǎn)及我國(guó)既有鐵路貨車軸承應(yīng)用情況，大軸重鐵路貨車軸承采用自密封的圓錐滾子軸承。

圖1　重載貨車轉(zhuǎn)向架

3　軸承設(shè)計(jì)

3.1軸承主參數(shù)選擇

軸承設(shè)計(jì)主參數(shù)優(yōu)化的重要問題是確定優(yōu)化原則，即以軸承具有最長(zhǎng)疲勞壽命為目標(biāo)。根據(jù)軸承壽命方程可知，在軸承承載條件一定時(shí)，軸承的基本額定動(dòng)載荷Cr越大，軸承疲勞壽命越長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際ISO281標(biāo)準(zhǔn)，軸承額定動(dòng)載荷與以下參數(shù)有關(guān)：

Cr=bmfc（iLwecosα）7/9Z3/4Dwe29/27（N）

上述公式是以Cr為單一目標(biāo)的多變量函數(shù)，考慮鐵路貨車軸承徑向承載力較大，軸向承載力相對(duì)小的特點(diǎn)，軸承的接觸角一般選擇10°即能滿足軸向承載要求，在此條件下，影響Cr的變量主要為滾子直徑尺寸、滾子長(zhǎng)度尺寸及滾子個(gè)數(shù)。

重載鐵路貨車軸承的主要設(shè)計(jì)思想是軸承的整體結(jié)構(gòu)合理，根據(jù)參數(shù)變量對(duì)Cr的影響大小進(jìn)行參數(shù)選取，其中滾子直徑影響大于滾子長(zhǎng)度，滾子個(gè)數(shù)影響最小，因此在保證內(nèi)外圈最小壁厚、內(nèi)外圈剛度及強(qiáng)度滿足要求的情況下，選擇大尺寸的滾子直徑，長(zhǎng)度選取應(yīng)保證軸承大小擋邊具備足夠的強(qiáng)度，滾子個(gè)數(shù)可以相對(duì)減少。

3.2軸承微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊設(shè)計(jì)

滾子球基面半徑根據(jù)計(jì)算半徑的80～90%進(jìn)行圓整，軸承內(nèi)圈大擋邊采用斜擋邊，根據(jù)圓整后的球基面半徑確定擋邊的角度，使球基面在斜擋邊的中部接觸。該結(jié)構(gòu)可有效形成流體潤(rùn)滑油膜，改善滾子球基面與擋邊之間的潤(rùn)滑狀態(tài)，降低滑動(dòng)摩擦及運(yùn)轉(zhuǎn)溫升，減少滑動(dòng)磨損，提高軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

3.2.2滾子與套圈滾道表面設(shè)計(jì)

在鐵路貨車軸承應(yīng)用設(shè)計(jì)中，套圈滾道一般采用微凸度設(shè)計(jì)，滾子母線則采用對(duì)數(shù)曲線修形。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)軸承在重載工況下，工作表面的接觸應(yīng)力均勻，防止軸承因出現(xiàn)邊緣應(yīng)力造成軸承早期疲勞失效。滾子母線的對(duì)數(shù)曲線方程是根據(jù)軸承的承載情況，對(duì)承載載荷最大的滾子進(jìn)行計(jì)算，保證滾子承載接觸應(yīng)力均勻，在承受軸向力時(shí)，其承載接觸應(yīng)力也接近均勻分布，見圖 2。

圖2　不同修形滾子的承載應(yīng)力

3.3保持架設(shè)計(jì)

大軸重鐵路貨車軸承保持架采用玻璃纖維強(qiáng)化的聚酰胺材料，該保持架具有重量輕、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、低噪音及良好的工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，目前在軌道交通軸承上廣泛應(yīng)用。

雖然塑料保持架在應(yīng)用上有許多優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮保持架的窗梁強(qiáng)度，以保證軸承能夠滿足使用要求。該軸承在設(shè)計(jì)時(shí)，在保證軸承整體結(jié)構(gòu)合理情況下，通過對(duì)選擇不同滾子參數(shù)軸承的保持架進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)，確定軸承的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，見圖 3、圖 4。

3.3.1保持架窗梁沖擊性能試驗(yàn)

將保持架窗梁樣塊在夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)上做窗梁沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表 1。

3.3.2保持架拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

圖3　保持架窗梁強(qiáng)度分析

圖4　保持架窗梁沖擊性能試驗(yàn)

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)施力到保持架鄰近的兩個(gè)窗梁上，保持架持續(xù)受載至斷裂為止，變形速度為5mm/min，導(dǎo)致斷裂的力即為保持架拉伸強(qiáng)度。試驗(yàn)分直拉伸試驗(yàn)和斜拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見圖 5 和表 2。

表 1　保持架沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果/J

圖5　保持架拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

表 2　保持架拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果/N

根據(jù)分析及試驗(yàn)結(jié)果，在保證軸承承載能力情況下，選擇保持架窗梁強(qiáng)度最高的方案，提高軸承的運(yùn)行可靠性。

3.4密封設(shè)計(jì)

早期鐵路無軸箱軸承密封采用的是密封橡膠與密封座組成的接觸式密封系統(tǒng)（見圖 6）。為確保密封性能，該密封在主密封唇上置入彈簧，在應(yīng)用過程中，由于密封圈壓緊力大，造成軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦發(fā)熱量大，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫升高，容易因橡膠老化造成密封失效，使軸承的維護(hù)周期縮短。

圖6　軸承密封結(jié)構(gòu)

隨著鐵路貨車軸承技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新，軸承的密封系統(tǒng)已得到了較大的改進(jìn)，目前有迷宮式密封、組合式密封、整體式輕接觸迷宮密封等結(jié)構(gòu)，見圖 6，其中迷宮式密封是與密封座組成密封系統(tǒng)，軸承軸向占用空間大，不利于重載軸承承載。組合式密封要求軸承附件加工精度高，工藝性較差，而本軸承采用的整體輕接觸迷宮密封裝置取消了密封座，縮短了軸承軸向尺寸，減小橡膠主唇口的壓緊力，降低了摩擦發(fā)熱，延長(zhǎng)了密封橡膠壽命，延長(zhǎng)了軸承維護(hù)周期。同時(shí)，通過增加迷宮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)型密封更優(yōu)的密封性能。通過軸承試驗(yàn)驗(yàn)證，新結(jié)構(gòu)密封與傳統(tǒng)型密封相比，能降低使用溫度20℃左右。

4　運(yùn)行維護(hù)

軸承的安裝與運(yùn)行維護(hù)在鐵路總公司關(guān)于《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)則》中已做了詳細(xì)規(guī)定，完全可以滿足重載貨車軸承的需要。為了方便軸承的安裝、拆卸及檢修維護(hù)，大軸重鐵路貨車軸承在實(shí)現(xiàn)整體冷壓裝及拆卸的基礎(chǔ)上，軸承密封罩端面設(shè)置了三個(gè)拆卸孔，其中用橡膠填充，在軸承拆解時(shí)，可通過專用工裝直接將密封與軸承拆解開，方便了軸承檢修與維護(hù)。

5　結(jié)束語

通過對(duì)大軸重鐵路貨車軸承的設(shè)計(jì)研究，不僅實(shí)現(xiàn)了為重載鐵路貨車配套，實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)輸，而且構(gòu)建了重載鐵路貨車軸承的研發(fā)平臺(tái)，為后續(xù)更大軸重鐵路貨車軸承研發(fā)提供良好的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。

（編輯：鐘媛）

Type selection and design of heavy axle and heavy haul railway freight car bearing

Song Shiyong， Cui Chuanrong， Dun Lihua
（ Wafangdian Bearing Group Co.， Ltd.， Wafangdian 116300， China ）

According to the demand of heavy haul freight transportation， the selection， design and maintenance of the bearing of the heavy haul railway freight car are studied based on the experience of the successful use of the existing railway freight cars. Through the optimization design， simulation analysis and comprehensive test and other means， the design of the heavy haul railway freight car bearing is realized to meet the use requirements.

heavy haul railway freight car bearing； microstructure design； contact stress； plastic cage； integral light contact labyrinth seal

TH133.33+2

A

1672-4852（2016）03-0003-03

2016-08-08.

宋世勇（1970-），男，高級(jí)工程師.