動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承載荷分析

張超

【摘? 要】在牽引電機(jī)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)期間，軸承游隙會(huì)由于機(jī)械負(fù)載而變化。當(dāng)軸承具有正游隙時(shí)，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子將不再協(xié)作?；顒?dòng)量的增加會(huì)引起偏心，在牽引電機(jī)的偏心工作狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生偏心方向上不平衡的磁拉力，它將直接作用在軸承的內(nèi)圈上，這將大大增加軸承的實(shí)際載荷。

【關(guān)鍵詞】牽引電機(jī)、軸承載荷、軌道車輛

引言

動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承是在電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中固定并減小負(fù)載摩擦系數(shù)的組件。其主要功能是支撐電機(jī)的轉(zhuǎn)子，以減小牽引電機(jī)在傳輸過(guò)程中的機(jī)械負(fù)載摩擦系數(shù)。本文研究了動(dòng)車組牽引電機(jī)的軸承載荷。

1.牽引電機(jī)軸承概述

牽引電機(jī)軸承的結(jié)構(gòu)通常在驅(qū)動(dòng)端使用深溝球軸承，在非驅(qū)動(dòng)端使用圓柱滾子軸承。在軸承設(shè)計(jì)中，通常在滾動(dòng)元件與內(nèi)圈和外圈之間的接觸空間中留有一定的余量，即軸承游隙。軸承游隙的存在是確保電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的重要保證。軸承游隙分為正游隙和負(fù)游隙。當(dāng)軸承游隙改變時(shí)，滾動(dòng)體與滾道之間的接觸角將相應(yīng)地改變，這會(huì)影響滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，游隙還會(huì)改變軸承在負(fù)載下的載荷分布、應(yīng)力分布、接觸變形等，從而導(dǎo)致軸承的疲勞壽命發(fā)生變化。同時(shí)，徑向游隙也是軸承維護(hù)期間相對(duì)容易測(cè)量的參數(shù)。使用徑向游隙來(lái)預(yù)測(cè)軸承的壽命是一種在實(shí)際應(yīng)用中評(píng)估軸承狀態(tài)的簡(jiǎn)單可行的方法。

牽引電機(jī)和軸承是機(jī)電組合，并且軸承的工作狀態(tài)的改變將不可避免地引起電機(jī)的工作狀態(tài)的改變。如圖1所示，由于軸承的內(nèi)圈和轉(zhuǎn)子軸緊密同軸地接合，因此軸承徑向游隙的增加不僅會(huì)改變軸承的內(nèi)部載荷分布，還會(huì)引起牽引力電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離定子中心軸而變得偏心現(xiàn)象。牽引電機(jī)的偏心轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力將直接作為載荷作用在軸承上，這不可避免地會(huì)影響軸承的疲勞壽命。偏心磁力會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生掃氣現(xiàn)象。同時(shí)，偏心磁力會(huì)增加軸承的磨損，從而進(jìn)一步增加游隙并同時(shí)增加偏心率。因此，當(dāng)牽引電機(jī)的軸承的游隙發(fā)生變化時(shí)，其壽命分析應(yīng)綜合考慮軸承自身載荷的分布以及牽引電機(jī)的電磁力的影響。

2.牽引電機(jī)軸承載荷分析

動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承在復(fù)雜的行駛環(huán)境中工作，牽引電機(jī)頻繁啟動(dòng)和停止。因此，牽引電機(jī)軸承要承受不同類型的載荷。在正常的無(wú)偏狀態(tài)下，軸承內(nèi)圈也將承受軸承內(nèi)圈和軸伸部相互穿透時(shí)產(chǎn)生的預(yù)緊力，軸伸部自身的重力以及在軸承旋轉(zhuǎn)過(guò)程中滾子產(chǎn)生的離心力。偏心磁張力將導(dǎo)致軸承承受額外的載荷。通過(guò)將這些載荷疊加在一起，可以獲得軸承壽命預(yù)測(cè)所需的綜合載荷。

2.1徑向集中載荷分析

（1）軸承內(nèi)圈預(yù)緊力

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量不能滿足軸承所需的最小負(fù)荷。為了確保軸承內(nèi)圈和轉(zhuǎn)子軸的正常嚙合，在安裝軸承時(shí)需要過(guò)盈組件。此時(shí)，軸承內(nèi)圈受到徑向預(yù)緊力。圓柱軸承的最小徑向載荷計(jì)算公式為

其中，是最小負(fù)荷系數(shù)，n是轉(zhuǎn)速，是參考轉(zhuǎn)速;是軸承節(jié)圓直徑。

其中d和D分別為軸承內(nèi)外直徑。由此計(jì)算牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈所受預(yù)緊力。

（2）軸承滾動(dòng)體離心力

在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，軸承滾動(dòng)體會(huì)受到慣性離心力，每個(gè)滾動(dòng)體產(chǎn)生的離心力為：

其中，是滾子直徑（mm）;是滾子的公轉(zhuǎn)速度、保持架速度，r/min;是滾動(dòng)體中心所在直徑（mm）。

（3）軸伸重力

軸伸的重力是根據(jù)轉(zhuǎn)子軸伸的體積和與電機(jī)相對(duì)應(yīng)的材料密度來(lái)計(jì)算的。在軸承工作條件下，預(yù)載徑向載荷，滾動(dòng)元件的離心力，軸伸重力和牽引電機(jī)的偏心載荷的組合載荷將用作實(shí)際的徑向集中載荷，如圖2所示。

2.2 雙軸承系統(tǒng)載荷分布分析

上面的偏心載荷分析是一個(gè)單軸承系統(tǒng)，實(shí)際的牽引電機(jī)使用一個(gè)雙軸承系統(tǒng)。

動(dòng)車組牽引電機(jī)通常在驅(qū)動(dòng)端使用深溝球軸承，在非驅(qū)動(dòng)端使用圓柱滾子軸承。對(duì)于雙軸承系統(tǒng)，需要考慮兩個(gè)軸承上徑向集中載荷的分布。由于兩端軸承的工作條件不同，游隙測(cè)量量可能會(huì)有所不同。當(dāng)兩端的軸承的偏心率不同時(shí)，牽引電機(jī)將不僅具有轉(zhuǎn)子的徑向偏心率，而且具有軸向的偏心率。從以上推導(dǎo)中可以知道，轉(zhuǎn)子徑向截面微元件所承受的單向磁拉力與偏心率近似線性，軸向偏心率與軸向距離近似線性。因此，徑向集中載荷不再在軸向上均勻分布，而是軸向距離的函數(shù)，如圖3所示。

2.3軸承游隙對(duì)徑向載荷分布的影響

在運(yùn)行過(guò)程中，位于不同位置的軸承的滾動(dòng)元件上的負(fù)載不相等。滾動(dòng)元件的最大載荷直接影響軸承的疲勞壽命。疲勞壽命隨著最大負(fù)載的增加而降低。因此，任何影響載荷分布的參數(shù)都將間接影響軸承的疲勞壽命。徑向游隙是參數(shù)之一。游隙的變化將使每個(gè)滾子的負(fù)載發(fā)生變化，從而影響軸承壽命。

當(dāng)不滿足位置角條件時(shí)，滾動(dòng)體被卸荷，在內(nèi)外滾道接觸處的等效動(dòng)載荷為0。由上述分析可知，徑向軸承中滾動(dòng)體的載荷不是恒定的，但與軸承游隙有關(guān)。軸承游隙的大小直接影響內(nèi)部載荷區(qū)域的大小。當(dāng)軸承游隙在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)，由于機(jī)械載荷的變化，不同滾動(dòng)體和滾道之間的接觸部件的疲勞壽命也會(huì)發(fā)生變化，如圖4所示。當(dāng)游隙和載荷已知時(shí)，以上公式最終獲得軸承內(nèi)外滾道的等效動(dòng)載荷分布?；诖?，將計(jì)算出牽引電機(jī)的徑向軸承的疲勞壽命。

3.結(jié)論

本文分析了滾動(dòng)軸承出現(xiàn)游隙時(shí)，牽引電機(jī)對(duì)軸承所受工況載荷的影響。正游隙的出現(xiàn)使得轉(zhuǎn)子部件自由活動(dòng)量增加，牽引電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子偏心的現(xiàn)象。偏心后的單邊磁拉力將與軸承所受額定載荷一起形成滾動(dòng)軸承所受的聯(lián)合載荷。

參考文獻(xiàn)

[1]楊國(guó)安.滾動(dòng)軸承故障診斷適用技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[2]湯武初，王敏杰，陳光東，等.高速列車故障軸箱軸承的溫度分布研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2016，38（7）：50-56.

[3]王勇，韓偉，王鳳才.高速鐵路軸箱軸承接觸潤(rùn)滑機(jī)理[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（5）：131-134.

[4]全國(guó)滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC98）.滾動(dòng)軸承額定動(dòng)載荷和額定壽命：GB/T6391—2010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[5]鄭靜.高速列車軸箱軸承疲勞壽命研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[6]高雅璐.動(dòng)車零部件壽命預(yù)測(cè)與全壽命周期研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015.

[7]查浩，任尊松，薛蕊，等.高速動(dòng)車組軸箱軸承累積損傷與疲勞壽命研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2018，40（10）：30-35.