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地鐵車(chē)輛軸箱軸承的設(shè)計(jì)

文檔作者：曾獻(xiàn)智孫立明郭向東葉亞飛孫盼盼文檔來(lái)源： 1．洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 2．洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司			點(diǎn) 擊數(shù)：
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蘭 = !
CN4l一1148／TH
軸承2O14~1z6期
Bearing 2014．No．6
．．I產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用
地鐵車(chē)輛軸箱軸承的設(shè)計(jì)
曾獻(xiàn)智 ，孫立明 ，郭向東 ，葉亞飛 ，孫盼盼
(1．洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng)471039；2．洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司，河南洛陽(yáng)471039)
摘要：針對(duì)某型地鐵車(chē)輛軸箱軸承的工況條件和使用要求，從結(jié)構(gòu)、材料、潤(rùn)滑、性能等多方面進(jìn)行了詳細(xì)的分
析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的雙列圓柱滾子軸承的承載能力、速度性能、壽命及可靠性均滿(mǎn)足該型地鐵車(chē)輛的運(yùn)行
要求。
關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；軸箱軸承；雙列圓柱滾子軸承；設(shè)計(jì)；性能分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TH133．33 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000—3762(2014)06—0001—04
Design of Axle Box Bearings for Underground Train
Zeng Xianzhi ，Sun Liming ，Guo Xiangdong ，Ye Yafei ，Sun Panpan
(1．Luoyang Bearing Science＆Technology Co．，Ltd．，Luoyang 471039，China；2．Luoyang Tractor Research
Institute Co．，Ltd．，Luoyang 471039，China)
Abstract：According to the working conditions and performance requirements for axle box bearings of an underground
train，the detailed analysis aye carried out from such aspects as the structure，material，lubrication and perform an ce．
The results indicate that the carrying capacity，speed performance，life and reliability of double row cylindrical roller
bearings meet the operating requirements of this underground train．
Key words：underground train；axle box bearing；double row cylindrical roller bearing；design；perform ance analysis
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，交通問(wèn)題成
為制約我國(guó)城市發(fā)展的瓶頸。地鐵因具有占用土
地少、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為解決城市交通問(wèn)題
的有效途徑，近年來(lái)取得長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著投入
運(yùn)營(yíng)的地鐵車(chē)輛及其通車(chē)?yán)锍痰牟粩嘣黾樱瑢?duì)車(chē)
輛軸箱軸承的需求和消耗也將大增。為支撐國(guó)內(nèi)
蓬勃發(fā)展的軌道交通產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛軸箱軸
承的國(guó)產(chǎn)化配套，開(kāi)展地鐵車(chē)輛軸箱軸承的設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)及相關(guān)技術(shù)研究十分必要。在此針對(duì)某型地
鐵車(chē)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(gè)性化設(shè)計(jì)理念對(duì)其進(jìn)行分析。
常速度80 km／h，最高速度120 km／h，車(chē)輛輪軸載
荷142．1 kN，車(chē)輪平均直徑D =805 mm(新輪／全
磨耗輪840／770 mm)；軸承外形尺寸qOl20 mm×
q~215 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 c【=，脂潤(rùn)滑，99％可靠性的壽命為120×10 km。
地鐵車(chē)輛對(duì)該軸承的轉(zhuǎn)速性能要求不高，但
車(chē)輛的超載、頻繁啟停和高安全性的運(yùn)行條件又
對(duì)軸承提出很高的要求和挑戰(zhàn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需在
軸承承載能力、壽命、可靠性及潤(rùn)滑等方面采取有
針對(duì)性的對(duì)策。
1 工況條件 2 軸承結(jié)構(gòu)
地鐵車(chē)輛與鐵路車(chē)輛運(yùn)行特點(diǎn)雖有很多相似
之處，但仍有其特殊之處，如地鐵列車(chē)啟停頻繁、
運(yùn)行間距和持續(xù)運(yùn)行時(shí)間短等。設(shè)計(jì)的地鐵車(chē)輛
軸箱軸承的工況條件和使用要求為：車(chē)輛運(yùn)行正
收稿日期：2013—10—29；修回日期：2013—12—28
地鐵車(chē)輛軸箱軸承依車(chē)型不同可選擇不同的
結(jié)構(gòu)類(lèi)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(chē)運(yùn)行速度不高，轉(zhuǎn)彎時(shí)離心
力作用于軸承上的軸向載荷相對(duì)較小，圓柱滾子
軸承就可以滿(mǎn)足使用要求¨J。考慮車(chē)輛軸箱結(jié)構(gòu)
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· 2· 《軸承))2014．No．6
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)。
。
I l
、 7／／／／／／／／
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
1一錯(cuò)封益；2一半擋圈；3一滾子；4一中隔豳；5一保特架；
6一內(nèi)圈；7一外圈
圖3 雙列圓柱滾子軸承型軸箱軸承
該軸承外圈為整體式雙滾道結(jié)構(gòu)，僅帶1個(gè)
中擋邊，與傳統(tǒng)3擋邊結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(gè)擋邊。內(nèi)、外圈擋邊與平擋圈的簡(jiǎn)單結(jié)
構(gòu)配置即可實(shí)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(jiǎn)單、緊湊，加工、安裝和拆卸方便。
3 軸承設(shè)計(jì)
3．1 材料
地鐵車(chē)輛運(yùn)行中會(huì)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(shí)還要兼顧
軸承的壽命和可靠性，以滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)行的安全性
要求。鑒于此，內(nèi)、外圈和平擋圈材料采用
GCrl8Mo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
GCrl5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GCrl5鋼，采用馬氏體淬回火工藝
即可滿(mǎn)足要求。保持架材料采用青銅，密封蓋材
料采用08A1。
3_2 主參數(shù)
軸承主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在有限的幾何空間
內(nèi)，通過(guò)目標(biāo)函數(shù)的建立、約束條件的確定和優(yōu)化
問(wèn)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(jì)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(jì)以額定動(dòng)
載荷為目標(biāo)函數(shù)，在追求承載能力最大化的同時(shí)，
兼顧軸承的整體強(qiáng)度、壽命及可靠性。優(yōu)化設(shè)計(jì)
的數(shù)學(xué)模型為
min／(X) = 一bmfc(iL ) Z D2 9 ／
gl( ) =L 一KLB／2≤0
g2(X) = 一 +D ≤0
g3(X)=一D +(d+D)／2一F ≤0 ，
g4(X) =D 一(d+D)／2+F 一K ≤0
g5(X) =1．3ZD 一 (F +1．5D )≤0
g6( ) = 一1．3ZD +訂(d+D)／2≤0
式中： 為滾子公稱(chēng)長(zhǎng)度；D 為滾子直徑；i為滾子
的列數(shù)；z為每列滾子數(shù)；d為軸承內(nèi)徑；D為軸承
外徑； 為軸承寬度；F 為滾子組內(nèi)復(fù)圓直徑；b ，
．
． 分別為與軸承材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)；K 為滾
子長(zhǎng)度約束系數(shù)，通常取0．6—0．75；K 為滾子組節(jié)
圓直徑外移量，通常Ko=0～0．015 5(d+D)／2。
經(jīng)優(yōu)化求解可得，軸承的主參數(shù)為：D =26
mm ，L = 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(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)軸承的
運(yùn)轉(zhuǎn)性能、承載能力、壽命及可靠性有重要影
響 J。游隙設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)軸承具體的工況特點(diǎn)，考
慮安裝配合、溫升效應(yīng)、接觸變形等對(duì)游隙的影
響，最終使軸承處于最佳工作游隙狀態(tài) J。經(jīng)理
論計(jì)算并參考相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得出該軸承設(shè)
計(jì)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(jì)
地鐵車(chē)輛在行駛過(guò)程中，因車(chē)輛轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離
心力會(huì)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(dòng)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(yàn)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，
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《軸承)2014．No．6
3．6 潤(rùn)滑
地鐵車(chē)輛的安全性對(duì)軸承可靠性提出很高
的要求，因此，軸承的可靠潤(rùn)滑至關(guān)重要。軸承
可靠潤(rùn)滑除選用恰當(dāng)?shù)臐?rùn)滑脂外，還與軸承的載
荷、轉(zhuǎn)速及溫度等相關(guān)。所設(shè)計(jì)的地鐵車(chē)輛軸箱
軸承具有頻繁啟停、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間短的工況條
件，使得滾子和滾道間難以形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油
膜，因此，軸承大部分時(shí)間處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，很
難實(shí)現(xiàn)可靠潤(rùn)滑。由于軸承工況條件的特性，潤(rùn)
滑脂性能指標(biāo)的改善很難滿(mǎn)足工況要求，為此采
用添加固體潤(rùn)滑顆粒的潤(rùn)滑脂，在軸承難以形成
潤(rùn)滑油膜時(shí)，固體潤(rùn)滑顆粒可以實(shí)現(xiàn)軸承的潤(rùn)
滑，保證軸承可靠潤(rùn)滑。地鐵車(chē)輛運(yùn)行速度不
高，對(duì)潤(rùn)滑脂的填脂量沒(méi)有嚴(yán)格要求，此處設(shè)計(jì)
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(dòng)載荷
根據(jù)GB／T 6391-2003，該軸承的徑向基本額
定動(dòng)載荷為
C =6 (iL 。) ／9z ／4D2 9 ／卯=897 kN。
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
，)
c0 =44(1一 )iZL?D =1 485 kN，
／J
p
式中： 為滾子有效長(zhǎng)度；D。 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(jì)算有多種計(jì)
算模型，如SKF模型、NSK模型等|9]，這里采用較
常用的SKF模型對(duì)設(shè)計(jì)軸承的軸向承載能力進(jìn)行
計(jì)算評(píng)估。該軸承的許用最大軸向載荷為
F ： 一 ：P ：
一d kfzF ：68．1 kN ，
n( +D) 一 ’
式中：k。：1．5；k =0．15；凡為軸承轉(zhuǎn)速，n=791
r／min(由車(chē)輛120 km／h的運(yùn)行速度計(jì)算得到)；
P 為軸承當(dāng)量載荷 為動(dòng)載荷系數(shù)，取 =1．5；F
為軸承承受的徑向載荷，為車(chē)輛輪軸載荷的一半。
列車(chē)運(yùn)行時(shí)，作用在軸承上的最大軸向載
荷為56．8 kN，小于軸承設(shè)計(jì)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
Ll = 01aisoL1o= 153 × 10 km ，
式中：n。為可靠度系數(shù)，口。=0．25；a， 。為壽命修正
系數(shù)，采用ISO 281：2007計(jì)算方法得到口 =2。
計(jì)算表明，軸承能滿(mǎn)足該型地鐵車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)檢修
及壽命要求。
4．2 轉(zhuǎn)速
軸承設(shè)計(jì)極限轉(zhuǎn)速¨。 為
f
ni= = 1 248 r／rain，
m
式中 為軸承尺寸系數(shù)，查表取0．9；f2和 為軸
承載荷影響系數(shù)，查表分別取0．9，0．4；．廠(chǎng)4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；D 為軸承平均直徑。
從而可得列車(chē)運(yùn)行最高速度為
= 60 × 10一-rrD n J= 189 km／h，
滿(mǎn)足該型地鐵車(chē)輛120 km／h的運(yùn)營(yíng)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(rùn)滑3個(gè)方面考慮_1 。在材料及熱處
理方面，通過(guò)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(guò)軸
承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高軸承的承載能力和壽
命的同時(shí)，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(rùn)滑方面，采用添加固體潤(rùn)滑顆粒的潤(rùn)滑脂，
保證了軸承的可靠潤(rùn)滑，極大地提高了軸承的可
靠性。
5 結(jié)束語(yǔ)
文中針對(duì)地鐵車(chē)輛的運(yùn)行條件和要求，以典
型型號(hào)的車(chē)輛軸箱用雙列圓柱滾子軸承為研究對(duì)
象，從軸承結(jié)構(gòu)、材料、潤(rùn)滑、承載能力、速度性能、
壽命及可靠性等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究分析。而
高可靠性是地鐵車(chē)輛軸箱軸承的核心技術(shù)特征。
針對(duì)這一技術(shù)特征，只有對(duì)軸承的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)及相關(guān)技術(shù)開(kāi)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(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛軸
箱軸承的國(guó)產(chǎn)化配套，支撐國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展的軌道
交通產(chǎn)業(yè)。
(下轉(zhuǎn)第35頁(yè))

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