載荷及速度對(duì)高鐵軸箱軸承溫升的影響度

趙方偉， 張 弘， 張澎湃

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

中國(guó)幅員遼闊、內(nèi)陸深廣，各地區(qū)自然條件差異大，軸箱軸承作為鐵路車輛的關(guān)鍵部件之一，在速度、載重、運(yùn)行環(huán)境等外部因素的共同作用下，承受著復(fù)雜的服役條件，其故障問題直接影響列車的安全運(yùn)行[1-2]。溫升是監(jiān)測(cè)軸箱軸承故障的重要指標(biāo)，弄清包括列車運(yùn)行速度、軸箱軸承承受的載荷等服役條件對(duì)軸箱軸承溫升的影響度，據(jù)此改善軸箱軸承服役條件，降低軸箱軸承故障發(fā)生率，是保障列車安全運(yùn)營(yíng)迫切需要解決的問題，同時(shí)，對(duì)中國(guó)鐵路車輛的修程修制具有重要的指導(dǎo)意義。

由于軸箱軸承對(duì)鐵路車輛的重要性，中外學(xué)者在服役條件對(duì)軸箱軸承影響方面已做了許多研究。Schwarz[3]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段，在一定載荷作用下，設(shè)置不同轉(zhuǎn)速范圍，使軸承內(nèi)部熱溫度分布穩(wěn)定，研究了軸承內(nèi)滾道與外滾道的溫度差別。Yan等[4]建立了熱生成模型，采用局部熱法與彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(elastohydrodynamic lubrication,EHL)理論相結(jié)合的方法，研究了軸承在多種工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的軸承內(nèi)部滾道位置溫升分布。顏家森等[5]利用擬動(dòng)力學(xué)仿真方法研究了外部載荷和列車運(yùn)行速度對(duì)軸承內(nèi)部載荷分布的影響，為分析軸承疲勞特性和壽命提供了基礎(chǔ)理論參考。郝燁江等[6]在給定載荷工況下，仿真計(jì)算了不同速度等級(jí)對(duì)應(yīng)的軸承應(yīng)力場(chǎng)，研究表明，隨著速度的提高，軸承內(nèi)部應(yīng)力逐漸增大。劉德昆等[7]基于線路實(shí)測(cè)的載荷數(shù)據(jù)，研究了隨機(jī)振動(dòng)載荷對(duì)軸箱軸承疲勞壽命的影響。以上研究主要集中在服役條件對(duì)軸承失效破壞及疲勞性能的影響，本文將通過臺(tái)架交叉試驗(yàn)研究載荷、速度等重要外部條件對(duì)高鐵軸箱軸承溫升的影響度。

1 外部因素的確定

受高速動(dòng)車組軸重、運(yùn)行環(huán)境及復(fù)雜工況的影響，外部因素包括了徑向載荷、軸向載荷、運(yùn)行速度等。以運(yùn)行350 km/h高速動(dòng)車組軸箱軸承為研究對(duì)象，其軸重約為17 t，列車最高運(yùn)行速度350 km/h。根據(jù)高速動(dòng)車組軸箱軸承的運(yùn)用信息，利用式(1)～式(3)可以確定軸承臺(tái)架試驗(yàn)的基本外部加載條件大小[8]。

Fr=0.6(m-m0)g

(1)

Fa=0.255(104+mg/3)

(2)

(3)

式中：m為軸重，t；m0為簧下質(zhì)量，t；g為重力加速度，9.81 m/s2；Fr為徑向載荷，kN；Fa為軸向載荷，kN；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；vtest為試驗(yàn)速度，km/h；c為試驗(yàn)臺(tái)主軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)間的傳動(dòng)比；D為車輪直徑，m。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)加載原理

試驗(yàn)加載原理如圖1所示。試驗(yàn)軸承被安裝在試驗(yàn)軸箱內(nèi)，可以同時(shí)開展兩套軸承的試驗(yàn)。通過垂向作動(dòng)器施加軸承單方向的徑向載荷，通過橫向作動(dòng)器施加正反兩個(gè)方向的軸向載荷。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬試驗(yàn)速度。試驗(yàn)過程中，通過冷卻風(fēng)扇模擬列車運(yùn)行中的冷卻風(fēng)，并通過風(fēng)速傳感器控制冷卻風(fēng)速[9]。

圖1 試驗(yàn)加載原理圖Fig.1 Experimental loading schematic diagram

2.2 交叉試驗(yàn)方案

根據(jù)高速動(dòng)車組軸箱軸承實(shí)際服役情況，設(shè)計(jì)軸承交叉試驗(yàn)方案。徑向載荷因素選擇一個(gè)水平，軸向載荷因素選擇四個(gè)水平，速度因素選擇八個(gè)水平。根據(jù)式(1)計(jì)算得到徑向載荷為91.5 kN，徑向載荷對(duì)應(yīng)取91.5 kN；根據(jù)式(2)計(jì)算得到軸向載荷為16.7 kN，軸向載荷分別取4.2、8.4、12.5、16.7 kN；根據(jù)列車最高運(yùn)行速度350 km/h，試驗(yàn)速度分別取50、100、150、200、250、300、350 km/h。不同徑向載荷、不同軸向載荷、不同試驗(yàn)速度的交叉試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 交叉試驗(yàn)方案

2.3 加載方案

在室內(nèi)軸承臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上，開展軸承溫升交叉試驗(yàn)。為使軸承內(nèi)部潤(rùn)滑達(dá)到最佳狀態(tài)，正式試驗(yàn)前，設(shè)定低速、小載荷、短時(shí)間均脂跑合試驗(yàn)。在正式試驗(yàn)中，徑向載荷恒定施加；軸向載荷雙向脈動(dòng)施加，按5 s(推)→5 s(停)→5 s(拉)→5 s(停)的周期循環(huán)進(jìn)行[9]。試驗(yàn)加載方案如圖2所示。

按照表1所示的交叉試驗(yàn)方案，進(jìn)行正式臺(tái)架試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，周期設(shè)定為4 h。試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持室溫20 ℃；靠近試驗(yàn)軸承處的冷卻風(fēng)速控制在8～10 m/s，試驗(yàn)停止?fàn)顟B(tài)冷卻風(fēng)速停止。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度及試驗(yàn)臺(tái)支承軸承溫度，每隔1 min自動(dòng)采集并記錄一次數(shù)據(jù)，直到試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)方案

3.1 軸承溫度響應(yīng)

按照表1交叉試驗(yàn)方案試驗(yàn)號(hào)，繪制每個(gè)循環(huán)過程中測(cè)量的負(fù)荷區(qū)的軸承有效溫度響應(yīng)曲線。

圖3為軸承徑向載荷91.5 kN，軸向載荷分別為4.2、8.4、12.5、16.7 kN時(shí)，不同速度下的溫度曲線。對(duì)比相同載荷，不同速度下的溫度曲線，可以看出，隨著速度的提高，軸承溫度不斷升高；速度對(duì)軸承溫度的影響比較明顯。

t1=240 min，t2=120 min，t3=10 min，t4=90 min，t5=10 min，t6=10 s，t7=5 s，t8=0.2 s，t9=5 s圖2 試驗(yàn)加載方案Fig.2 Test loading scheme

圖3 軸向載荷12.5 kN時(shí)，不同速度下溫度響應(yīng)Fig.3 Temperature response at different velocities under axial Load of 12.5 kN

圖4為軸承徑向載荷100%，速度100 km/h，不同軸向載荷下的溫度曲線。從圖4中可以看出，相同速度下，隨著載荷的增大，軸承溫度不斷升高。整體而言，速度對(duì)軸承溫度的影響更加明顯。

圖4 速度100 km/h，不同軸向載荷下溫度響應(yīng)Fig.4 Temperature response at speed of 100 km/h under different axial loads

3.2 軸承最高溫升

為進(jìn)一步分析載荷及速度對(duì)軸承溫升的影響，繪制了每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)對(duì)應(yīng)的最高溫升曲線，如圖5所示。為方便分析，圖5中用虛線框劃分了最高溫升分布區(qū)域。

圖5 軸承最高溫升Fig.5 Bearing maximum temperature rise

圖5中A區(qū)域?yàn)檩S向載荷4.2 kN時(shí)，速度50、100 km/h分別對(duì)應(yīng)的最高溫升；B區(qū)域?yàn)檩S向載荷8.4 kN時(shí)，速度150、200 km/h分別對(duì)應(yīng)的最高溫升；C區(qū)域?yàn)檩S向載荷12.5 kN時(shí)，速度200、250 km/h 分別對(duì)應(yīng)的最高溫升；D區(qū)域?yàn)檩S向載荷16.7 kN時(shí)，速度300、350 km/h分別對(duì)應(yīng)的最高溫升；E區(qū)域?yàn)樗俣?00 km/h時(shí)，軸向載荷為4.2、8.4、12.5、16.7 kN分別對(duì)應(yīng)的最高溫升。

從圖5中A、B、C、D區(qū)域的最高溫升變化趨勢(shì)來看，隨著軸向載荷和速度的提高，溫升在逐步增大，且上升趨勢(shì)越來越陡，說明載荷和速度的同時(shí)提高使得軸承溫升增大越來越劇烈。

A、B、C、D區(qū)域中的速度增量Δv均為50 km/h，在不同載荷水平下，提高相同速度對(duì)應(yīng)的溫升增量曲線如圖6所示。由圖6可以看出，隨著載荷水平的提高，溫升增量逐漸變大，說明載荷水平越高，速度的提高引起的溫升增長(zhǎng)率越大。

圖6 A、B、C、D區(qū)域的溫升增量Fig.6 Temperature increment in A, B, C and D regions

從圖5中E區(qū)域可以看出，相同速度下，隨著軸向載荷的增大溫升不斷上升。E區(qū)域中軸向載荷增量ΔFa均為4.2 kN，提高相同軸向載荷對(duì)應(yīng)的溫升增量曲線如圖7所示，表明一定速度水平下，軸向載荷的增大引起的溫升的增長(zhǎng)率不一定越大。

圖7 F區(qū)域的溫升增量Fig.7 Temperature increment in F region

4 軸承溫升的影響度分析

為對(duì)比分析載荷和速度對(duì)高速動(dòng)車組軸溫的影響程度，引入敏感度概念[10-12]。敏感度為無量綱值，可以反映外部條件的變化引起的溫升變化程度，其計(jì)算公式如下：

(4)

圖5中A區(qū)域代表了速度變化引起了溫升的變化，E區(qū)域代表了軸向載荷的變化引起了溫升的變化，對(duì)比分析A區(qū)域和E區(qū)域的敏感度。由式(4)計(jì)算A區(qū)域的敏感度為0.18，E區(qū)域的敏感度分別為0.04、0.06、0.01。由此看出，相比載荷變化，速度變化引起的溫升變化更劇烈，說明速度對(duì)軸承溫度的影響更加明顯。

5 結(jié)論

(1)載荷和速度都會(huì)直接影響高速動(dòng)車組軸溫，載荷的增大和速度的提高都會(huì)引起高速動(dòng)車組軸溫的升高。

(2)載荷水平越高，速度的提高引起的軸溫溫升的增長(zhǎng)率越大；一定速度水平下，軸向載荷的增大引起的軸溫溫升的增長(zhǎng)率不一定越大。

(3)相比載荷變化，速度變化引起的溫升變化更劇烈，速度對(duì)軸承溫度的影響更加明顯。