地鐵車輛軸箱軸承的設(shè)計

曾獻(xiàn)智，孫立明，郭向東，葉亞飛，孫盼盼

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，交通問題成為制約我國城市發(fā)展的瓶頸。地鐵因具有占用土地少、運輸效率高等優(yōu)點，成為解決城市交通問題的有效途徑，近年來取得長足的發(fā)展。隨著投入運營的地鐵車輛及其通車?yán)锍痰牟粩嘣黾樱瑢囕v軸箱軸承的需求和消耗也將大增。為支撐國內(nèi)蓬勃發(fā)展的軌道交通產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)地鐵車輛軸箱軸承的國產(chǎn)化配套，開展地鐵車輛軸箱軸承的設(shè)計開發(fā)及相關(guān)技術(shù)研究十分必要。在此針對某型地鐵車輛用軸箱軸承，根據(jù)其工況條件和使用要求，采用系統(tǒng)化和個性化設(shè)計理念對其進(jìn)行分析。

1 工況條件

地鐵車輛與鐵路車輛運行特點雖有很多相似之處，但仍有其特殊之處，如地鐵列車啟停頻繁、運行間距和持續(xù)運行時間短等。設(shè)計的地鐵車輛軸箱軸承的工況條件和使用要求為：車輛運行正常速度80 km/h，最高速度120 km/h，車輛輪軸載荷142.1 kN，車輪平均直徑Dn=805 mm(新輪/全磨耗輪840/770 mm)；軸承外形尺寸Φ120 mm×Φ215 mm×146 mm，滾子組內(nèi)復(fù)圓直徑141.5 mm，最大軸向載荷56.84 kN，最高工作溫度70 ℃，脂潤滑，99%可靠性的壽命為120×104km。

地鐵車輛對該軸承的轉(zhuǎn)速性能要求不高，但車輛的超載、頻繁啟停和高安全性的運行條件又對軸承提出很高的要求和挑戰(zhàn)，因此設(shè)計時需在軸承承載能力、壽命、可靠性及潤滑等方面采取有針對性的對策。

2 軸承結(jié)構(gòu)

地鐵車輛軸箱軸承依車型不同可選擇不同的結(jié)構(gòu)類型，如2套圓柱滾子軸承組合型、雙列圓錐滾子軸承型和雙列圓柱滾子軸承型，如圖1～圖3所示。由于地鐵列車運行速度不高，轉(zhuǎn)彎時離心力作用于軸承上的軸向載荷相對較小，圓柱滾子軸承就可以滿足使用要求[1]。考慮車輛軸箱結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)的緊湊性，在此選擇雙列圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖1 2套圓柱滾子軸承組合型軸箱軸承

圖2 雙列圓錐滾子軸承型軸箱軸承

1—密封蓋；2—平擋圈；3—滾子；4—中隔圈；5—保持架；6—內(nèi)圈；7—外圈

該軸承外圈為整體式雙滾道結(jié)構(gòu)，僅帶1個中擋邊，與傳統(tǒng)3擋邊結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更加簡單，安裝拆卸也更加方便。內(nèi)圈為整體式單滾道結(jié)構(gòu)，帶1個擋邊。內(nèi)、外圈擋邊與平擋圈的簡單結(jié)構(gòu)配置即可實現(xiàn)承受雙向軸向載荷的功能。中隔圈置于2列滾子中間，起引導(dǎo)滾子的作用。保持架采用滾子引導(dǎo)的整體式青銅保持架。外圈兩端設(shè)置密封槽，安裝金屬密封蓋。此結(jié)構(gòu)雙列圓柱滾子軸承可承受較大的徑向和軸向聯(lián)合載荷，整體強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，加工、安裝和拆卸方便。

3 軸承設(shè)計

3.1 材料

地鐵車輛運行中會產(chǎn)生沖擊載荷，因此，軸承零件應(yīng)采用抗沖擊性能好的材料，同時還要兼顧軸承的壽命和可靠性，以滿足車輛運行的安全性要求。鑒于此，內(nèi)、外圈和平擋圈材料采用GCr18Mo電渣重熔鋼，采用貝氏體等溫淬火工藝獲得下貝氏體組織，具有良好的韌性，可提高軸承的抗沖擊性能、壽命及可靠性。滾子材料采用GCr15電渣重熔鋼，采用馬氏體淬回火工藝獲得馬氏體組織，具有較高的抗接觸疲勞強(qiáng)度，可提高軸承的壽命及可靠性。中隔圈不承受軸向載荷，因此，其材料采用GCr15鋼，采用馬氏體淬回火工藝即可滿足要求。保持架材料采用青銅，密封蓋材料采用08Al。

3.2 主參數(shù)

軸承主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是在有限的幾何空間內(nèi)，通過目標(biāo)函數(shù)的建立、約束條件的確定和優(yōu)化問題的求解，以獲取軸承的最優(yōu)主參數(shù)組合，達(dá)到設(shè)計所追求的目標(biāo)。由于軸承轉(zhuǎn)速不高，承受載荷較大，安全性要求較高，因此優(yōu)化設(shè)計以額定動載荷為目標(biāo)函數(shù)，在追求承載能力最大化的同時，兼顧軸承的整體強(qiáng)度、壽命及可靠性。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型為[2]

經(jīng)優(yōu)化求解可得，軸承的主參數(shù)為：Dwe=26 mm，Lw=50 mm，Z=16。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3.1 游隙

游隙是軸承的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對軸承的運轉(zhuǎn)性能、承載能力、壽命及可靠性有重要影響[3]。游隙設(shè)計應(yīng)依據(jù)軸承具體的工況特點，考慮安裝配合、溫升效應(yīng)、接觸變形等對游隙的影響，最終使軸承處于最佳工作游隙狀態(tài)[4]。經(jīng)理論計算并參考相關(guān)工程實踐經(jīng)驗，得出該軸承設(shè)計的游隙為0.12～0.17 mm。

3.3.2 套圈擋邊與滾子端面匹配設(shè)計

地鐵車輛在行駛過程中，因車輛轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力會使軸承承受軸向載荷。軸承工作中套圈擋邊與滾子端面為滑動接觸，兩者間的摩擦發(fā)熱是制約軸承軸向承載能力的關(guān)鍵。理論和試驗研究表明，斜擋邊和球基面的匹配能夠減小接觸摩擦副的摩擦，提高軸承的軸向承載能力。基于這一理念，取套圈擋邊斜面角度(擋邊與端面夾角)β=17′，則滾子球基面曲率半徑R=(Dwe/2-H)/sinβ=2 150 mm，H為套圈擋邊與滾子球基面間接觸點的高度，為套圈擋邊高度的一半。

3.4 保持架

該軸承采用滾子引導(dǎo)的實體青銅保持架，如圖4所示。該保持架為整體式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高；窗孔過梁(滾子引導(dǎo)面)為圓弧形結(jié)構(gòu)，依靠圓弧面自然形成鎖口，無額外凸起的鎖點，結(jié)構(gòu)簡單，且圓弧面可改善滾子的引導(dǎo)效果，提高滾子的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，減小軸承的摩擦發(fā)熱和振動。保持架窗孔四角設(shè)計的凹槽結(jié)構(gòu)使保持架過梁面與端面平滑過渡，可減小該處的應(yīng)力集中，提高保持架的強(qiáng)度；同時，凹槽可以儲存部分油脂，改善潤滑狀況，減小摩擦。

圖4 保持架結(jié)構(gòu)圖

3.5 凸度設(shè)計

軸承凸度設(shè)計包括凸型設(shè)計、凸度量設(shè)計和凸度匹配3個方面，是一個精細(xì)而復(fù)雜的分析過程。目前，軸承常用的凸度形式有對數(shù)型、圓弧全凸型和圓弧修緣型；凸度量的計算一般基于Hertz理論，凸度匹配有1凸、2凸、3凸、4凸等。研究表明[5]，采用對數(shù)素線滾子的1凸設(shè)計即可較好地解決軸承接觸中應(yīng)力集中的問題，并滿足工程需要。因此，地鐵車輛軸箱雙列圓柱滾子軸承沿用1凸對數(shù)型凸度設(shè)計理念，并采用有限元分析方法得到了滾子的凸度量和滾子素線對數(shù)曲線方程[6-8]。為了對比研究，將直素線、1凸圓弧全凸素線及對數(shù)素線滾子與內(nèi)滾道的接觸應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知，對數(shù)素線滾子的接觸應(yīng)力分布較為均勻。對數(shù)素線滾子凸度量為0.010 mm時，最大接觸應(yīng)力為1 043 MPa；凸度量為0.020 mm時，最大接觸應(yīng)力為1 082 MPa。雖然0.020 mm凸度量時的最大接觸應(yīng)力比0.010 mm凸度量時大3.7%，但卻大大增加了軸承對外部載荷的適應(yīng)能力，具有較高的安全儲備。因此，本設(shè)計取滾子凸度量為0.020 mm，滾子素線對數(shù)曲線方程為

圖5 直素線滾子的接觸應(yīng)力分布

圖6 圓弧全凸素線滾子的接觸應(yīng)力分布

圖7 對數(shù)素線滾子的接觸應(yīng)力分布

3.6 潤滑

地鐵車輛的安全性對軸承可靠性提出很高的要求，因此，軸承的可靠潤滑至關(guān)重要。軸承可靠潤滑除選用恰當(dāng)?shù)臐櫥猓€與軸承的載荷、轉(zhuǎn)速及溫度等相關(guān)。所設(shè)計的地鐵車輛軸箱軸承具有頻繁啟停、區(qū)間運行時間短的工況條件，使得滾子和滾道間難以形成穩(wěn)定的潤滑油膜，因此，軸承大部分時間處于邊界潤滑狀態(tài)，很難實現(xiàn)可靠潤滑。由于軸承工況條件的特性，潤滑脂性能指標(biāo)的改善很難滿足工況要求，為此采用添加固體潤滑顆粒的潤滑脂，在軸承難以形成潤滑油膜時，固體潤滑顆粒可以實現(xiàn)軸承的潤滑，保證軸承可靠潤滑。地鐵車輛運行速度不高，對潤滑脂的填脂量沒有嚴(yán)格要求，此處設(shè)計的填脂量為250 g。

4 性能分析

4.1 承載能力及壽命

4.1.1 徑向基本額定動載荷

根據(jù)GB/T 6391—2003，該軸承的徑向基本額定動載荷為

4.1.2 徑向基本額定靜載荷

根據(jù)GB/T 4662—2003，該軸承的徑向基本額定靜載荷為

式中：Lwe為滾子有效長度；Dpw為滾子組節(jié)圓直徑。

4.1.3 軸向承載能力

圓柱滾子軸承軸向承載能力的計算有多種計算模型，如SKF模型、NSK模型等[9]，這里采用較常用的SKF模型對設(shè)計軸承的軸向承載能力進(jìn)行計算評估。該軸承的許用最大軸向載荷為

式中：k1=1.5；k2=0.15；n為軸承轉(zhuǎn)速，n=791 r/min(由車輛120 km/h的運行速度計算得到)；Pr為軸承當(dāng)量載荷；fz為動載荷系數(shù)，取fz=1.5；Fr為軸承承受的徑向載荷，為車輛輪軸載荷的一半。

列車運行時，作用在軸承上的最大軸向載荷為56.8 kN，小于軸承設(shè)計的最大許用軸向載荷。

4.1.4 壽命

根據(jù)GB/T 6391—2003和ISO 281:2007，軸承可靠度99%的修正壽命為

L1m=a1aISOL10=153×104km，

式中：a1為可靠度系數(shù)，a1=0.25；aISO為壽命修正系數(shù)，采用ISO 281:2007計算方法得到aISO=2。計算表明，軸承能滿足該型地鐵車輛的運營檢修及壽命要求。

4.2 轉(zhuǎn)速

軸承設(shè)計極限轉(zhuǎn)速[10]為

式中：f1為軸承尺寸系數(shù)，查表取0.9；f2和f3為軸承載荷影響系數(shù)，查表分別取0.9，0.4；f4為軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化影響系數(shù)，取1.5；A為軸承結(jié)構(gòu)系數(shù)，查表取430 000；Dm為軸承平均直徑。

從而可得列車運行最高速度為

vj=60×10-6πDnnj=189 km/h，

滿足該型地鐵車輛120 km/h的運營速度要求。

4.3 可靠性

軸承可靠性可以從材料及熱處理質(zhì)量、軸承整體強(qiáng)度和潤滑3個方面考慮[11]。在材料及熱處理方面，通過選擇合適的材料和熱處理工藝，可以提高軸承的接觸疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能，從而提升軸承的可靠性。在軸承整體強(qiáng)度方面，通過軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在提高軸承的承載能力和壽命的同時，使軸承各零件強(qiáng)度合理匹配，不僅降低了軸承提前失效的概率，而且改善了軸承內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，提高了軸承的整體強(qiáng)度和可靠性。在潤滑方面，采用添加固體潤滑顆粒的潤滑脂，保證了軸承的可靠潤滑，極大地提高了軸承的可靠性。

5 結(jié)束語

文中針對地鐵車輛的運行條件和要求，以典型型號的車輛軸箱用雙列圓柱滾子軸承為研究對象，從軸承結(jié)構(gòu)、材料、潤滑、承載能力、速度性能、壽命及可靠性等方面開展了系統(tǒng)的研究分析。而高可靠性是地鐵車輛軸箱軸承的核心技術(shù)特征。針對這一技術(shù)特征，只有對軸承的基礎(chǔ)理論、設(shè)計開發(fā)及相關(guān)技術(shù)開展系統(tǒng)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，形成整套技術(shù)，才能實現(xiàn)地鐵車輛軸箱軸承的國產(chǎn)化配套，支撐國內(nèi)蓬勃發(fā)展的軌道交通產(chǎn)業(yè)。