城軌車輛轉向架軸箱溫升試驗及數(shù)據(jù)分析

雷新紅

（南車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

軸箱裝置的作用，是將輪對和側架或構架聯(lián)系在一起，使輪對沿鋼軌的滾動轉化為車體沿線路的的平動；承受車輛的自重，傳遞各個方向的作用力；保證良好的潤滑性能，減少磨耗，降低運行阻力；良好的密封性，防止塵土、雨水等物的侵入及甩油，從而避免破壞油脂的潤滑，甚至發(fā)生燃油等事故。

為了維持軸承的良好品質，低的運轉溫度極為重要。即使溫度稍有增加，也會降低油膜厚度，減少潤滑脂壽命，縮短軸承壽命。有關數(shù)據(jù)說明，若軸承溫度從85℃降到65℃，約可使軸承壽命增加35%，油膜厚度增厚65%，潤滑脂壽命增長150%，軸承尺寸安定度提高100%。

鑒于軸箱裝置的重要作用，為保證城軌車輛轉向架軸箱組裝的性能，在轉向架總裝完成后，需進行軸箱溫升試驗。本次試驗是針對南車株洲電力機車有限公司安裝了某進口軸承的轉向架進行的軸箱溫升試驗。

1 試驗準備

（1）試驗用主要設備及儀器儀表。試驗過程中主要用到滾動試驗臺（控制車輪轉速）、實時檢測并采集溫度的傳感器（Pt100 鉑電阻）及設備等。

（2）被試物品參數(shù)及特征狀態(tài)。試驗物品為安裝了某進口軸承、組裝完成并按照相關的技術文件檢查合格的轉向架1臺。

2 試驗過程

（1）配重。將被試轉向架落在滾動試驗臺軌道輪組上，將模擬地鐵枕梁和模擬車體安裝在被試轉向架上，再在模擬車體上配置砝碼，在每個空氣彈簧上平面施加AW3 工況的載荷。加載工裝要牢固可靠，避免輪對運轉時出現(xiàn)意外。加載時要保護好空氣彈簧上平面的定位銷和空氣彈簧的進氣口。

（2）測點布置。測量溫度的傳感器按圖1布置（以一個輪對為例，另一輪對布置點相對應）。測點布置應根據(jù)預備試驗的結果進行適當調整。

圖1 軸箱組裝的溫度測點布置示意圖

3 試驗內容

（1）預備試驗。在正式試驗前，要進行預備試驗，主要有如下作用：使軸箱內的潤滑脂分布均勻；監(jiān)測軸箱溫升，調整測點布置。試驗中的測點布置如圖1。

控制空轉試驗臺的速度，使試驗轉向架車輪的轉速從0 km/h 逐漸升高至80 km/h，各轉速檔的時間分配見表1。

表1 各轉速檔及時間分配

整個預備試驗中，試驗轉向架正、反轉分別運轉120 min。

預備試驗過程中，應監(jiān)測軸箱組裝的各測點的溫升以及未布置測點的其他區(qū)域溫升（齒輪箱、電機等）。

（2）正式試驗。預備試驗完成后，在轉向架傳動系統(tǒng)冷卻的狀況下，啟動試驗臺（AW 3 工況），控制轉向架輪對運轉速度在10 min 內加速到80 km/h，同時用電風扇對各軸承部位通風，模擬實際運行時的通風情況，試驗時間為120 min。

試驗中用溫度傳感器實時采集各測點的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制軸承溫升曲線。試驗評判標準，各測點溫升（實測軸箱溫度與實時環(huán)境溫度之差）≤30℃。

4 試驗結果及分析

本次試驗由于前期數(shù)據(jù)不理想，重復進行了3次試驗。

4.1 試驗結果

3次試驗中的各測點最高溫度及最高溫升，匯總如表2所列。

表2 各工況下測點最高溫度和最高溫升（單位：℃）

4.2 結果分析

試驗結束時，軸箱溫度沒有達到平衡。第二次試驗數(shù)據(jù)中，各測點最后趨于穩(wěn)定且穩(wěn)定時溫升值都在30℃下滿足條件，但穩(wěn)定值數(shù)據(jù)采集較少（試驗時間為2 h）?？赡艿挠绊懸蛩厥穷A備試驗時間不夠長，軸箱內的潤滑脂分布不均勻而導致。第三次數(shù)據(jù)合格，由于前兩次試驗使軸箱內的潤滑脂分布均勻，形成了穩(wěn)定油膜，減少了摩擦產生的熱量。

影響軸溫的因素多而復雜，如軸承的品質與結構、軸承內摩擦、軸承工作環(huán)境、潤滑脂粘度與品質和軸承系統(tǒng)的散熱條件等。

（1）軸承品質與結構。目前采用的輪對軸承，主要是圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承兩種結構。在高速和高負荷情況下，圓錐滾子軸承的軸向負荷主要是由滾道承受（約另有20%～30%是由內圈擋邊承受），而滾子與滾道的接觸面之間，主要是滾動摩擦；但圓柱滾子軸承則主要是靠兩個擋邊承受軸向負荷，滾子端面與擋邊之間是滑動摩擦。所以圓錐滾子軸承摩擦力矩小，小摩擦力矩導致溫度低。如有的實驗表明，在時速250 km 條件下，圓錐滾子軸承溫度比圓柱滾子軸承溫度低15～20℃。同時軸承的精度等級不同，對軸承零件的表面粗糙度和工藝過程的不同要求，都會對軸溫產生影響。此次試驗中采用的軸承為同一型號，3次試驗數(shù)據(jù)的差異，與軸承品質和結構無關。

（2）軸承潤滑脂的粘度。軸承潤滑脂的基本功能，是隔離軸承滾動件的金屬表面，即在軸承滾動體與滾道的滾動表面之間，形成潤滑油薄膜，減少摩擦與磨損和防止雜物進入軸承。高基油粘度，會使軸承工作溫度高，減少潤滑脂壽命，造成軸承早期疲勞。軸箱使用的潤滑脂為同一型號，所以3次試驗數(shù)據(jù)的差異，與潤滑脂的粘度無關。

（3）軸承配合的影響。每一種軸承在一定的作用條件下，都有最佳的徑向游隙。該徑向游隙保證軸承的負荷合理地分布于滾動體之間，潤滑脂油膜厚度合理且不容易破壞，軸承運轉摩擦阻力小，溫升正常。軸承的徑向工作游隙，視徑向配合游隙而定，而徑向配合游隙，取決于原始徑向游隙和軸承的配合。

因此，在原始徑向游隙一定的前提下，軸承的配合如果過松或過緊，軸承的徑向工作游隙將過大或過小，偏離其最佳徑向工作游隙，運轉時可能出現(xiàn)溫升異常的現(xiàn)象。游隙過小，會使軸承工作溫度升高，不利于潤滑。分析對比試驗數(shù)據(jù)可以看出，3次試驗中1號及3號軸箱的溫升較2號及4號軸箱的溫升明顯要小，1號及3號軸箱的溫升比2號及4號軸箱的溫升要低7～10℃。同一型號的軸承，安裝孔直徑尺寸公差與形位公差不同，導致了軸承的配合的差異。軸箱之間溫升的差異，表明軸承的配合對軸箱溫升有顯著的影響。軸承的配合對軸箱溫升有較大影響，但不是造成3次數(shù)據(jù)差異的主要因素。

（4）試驗場地環(huán)境，如溫度、濕度、風速，對試驗也有一定影響。用4臺工業(yè)電扇模擬風速約30 km/h。試驗場地環(huán)境直接影響到軸箱的散熱，3次試驗時間分別在2011年9月28日下午，夜晚和次日上午，環(huán)境溫度分別為25.1℃、23.1℃及22.0℃。現(xiàn)場環(huán)境對試驗有一定影響，但不是3次試驗數(shù)據(jù)差異的主要因素。

（5）潤滑脂的填充量及分布。通常潤滑脂的填充量，為軸承和軸承箱的自由空間的30%～50%，若填充量過多，在高速情況下，特別容易引起軸箱溫升，所以高速車輛軸承的潤滑脂填充量要少，以減少軸承內潤滑脂攪動磨耗的能量，防止軸溫過高。

在高速專用試驗臺上進行的試驗結果表明，高速車輛軸承的潤滑油量，對軸承性能有很大影響。試驗時潤滑油填充分別為225 g 和510 g，在靜、動承載的不同工況下，填充量多比少可使軸溫高出6～20℃，特別是在振動狀態(tài)。

第一次試驗中，溫度一直處于上升階段，軸箱散熱不理想。

第二次試驗時，溫升在達到最高溫度后，出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，其原因是在進行一段時間跑合后，軸箱內潤滑脂的分布漸趨均勻。同時軸箱溫度的快速上升，使得軸箱與外界環(huán)境之間溫度差增大，散熱速度加快，溫升速度趨緩。隨著試驗的進行，軸箱的發(fā)熱（主要是軸承的發(fā)熱）與散熱，漸漸達到一種動態(tài)平衡，溫升維持在某一水平。

第三次試驗中，軸溫在1 h后趨于穩(wěn)定，軸箱的發(fā)熱與散熱達到了動態(tài)平衡。潤滑脂的分布是3次試驗數(shù)據(jù)差異的主要因素。同時，3次試驗數(shù)據(jù)表明，潤滑脂的分布是否均勻，是影響軸箱溫升的一項重要因素。

5 結束語

對比試驗數(shù)據(jù)中各個軸箱溫升的差異，軸承配合對軸箱溫升有顯著影響，但不是3次試驗數(shù)據(jù)差異的因素。通過對3次試驗數(shù)據(jù)的分析可知，潤滑脂的分布是3次試驗數(shù)據(jù)差異的主要因素。

[1]嚴雋耄，成建民.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，1999.