城轨车辆转向架轴箱温升试验及数据分析

2012-12-21雷新红

装备制造技术 2012年5期

雷新红

（南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001）

轴箱装置的作用，是将轮对和侧架或构架联系在一起，使轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿线路的的平动；承受车辆的自重，传递各个方向的作用力；保证良好的润滑性能，减少磨耗，降低运行阻力；良好的密封性，防止尘土、雨水等物的侵入及甩油，从而避免破坏油脂的润滑，甚至发生燃油等事故。

为了维持轴承的良好品质，低的运转温度极为重要。即使温度稍有增加，也会降低油膜厚度，减少润滑脂寿命，缩短轴承寿命。有关数据说明，若轴承温度从85℃降到65℃，约可使轴承寿命增加35%，油膜厚度增厚65%，润滑脂寿命增长150%，轴承尺寸安定度提高100%。

鉴于轴箱装置的重要作用，为保证城轨车辆转向架轴箱组装的性能，在转向架总装完成后，需进行轴箱温升试验。本次试验是针对南车株洲电力机车有限公司安装了某进口轴承的转向架进行的轴箱温升试验。

1 试验准备

（1）试验用主要设备及仪器仪表。试验过程中主要用到滚动试验台（控制车轮转速）、实时检测并采集温度的传感器（Pt100 铂电阻）及设备等。

（2）被试物品参数及特征状态。试验物品为安装了某进口轴承、组装完成并按照相关的技术文件检查合格的转向架1台。

2 试验过程

（1）配重。将被试转向架落在滚动试验台轨道轮组上，将模拟地铁枕梁和模拟车体安装在被试转向架上，再在模拟车体上配置砝码，在每个空气弹簧上平面施加AW3 工况的载荷。加载工装要牢固可靠，避免轮对运转时出现意外。加载时要保护好空气弹簧上平面的定位销和空气弹簧的进气口。

（2）测点布置。测量温度的传感器按图1布置（以一个轮对为例，另一轮对布置点相对应）。测点布置应根据预备试验的结果进行适当调整。

图1 轴箱组装的温度测点布置示意图

3 试验内容

（1）预备试验。在正式试验前，要进行预备试验，主要有如下作用：使轴箱内的润滑脂分布均匀；监测轴箱温升，调整测点布置。试验中的测点布置如图1。

控制空转试验台的速度，使试验转向架车轮的转速从0 km/h 逐渐升高至80 km/h，各转速档的时间分配见表1。

表1 各转速档及时间分配

整个预备试验中，试验转向架正、反转分别运转120 min。

预备试验过程中，应监测轴箱组装的各测点的温升以及未布置测点的其他区域温升（齿轮箱、电机等）。

（2）正式试验。预备试验完成后，在转向架传动系统冷却的状况下，启动试验台（AW 3 工况），控制转向架轮对运转速度在10 min 内加速到80 km/h，同时用电风扇对各轴承部位通风，模拟实际运行时的通风情况，试验时间为120 min。

试验中用温度传感器实时采集各测点的温度数据，根据数据绘制轴承温升曲线。试验评判标准，各测点温升（实测轴箱温度与实时环境温度之差）≤30℃。

4 试验结果及分析

本次试验由于前期数据不理想，重复进行了3次试验。

4.1 试验结果

3次试验中的各测点最高温度及最高温升，汇总如表2所列。

表2 各工况下测点最高温度和最高温升（单位：℃）

4.2 结果分析

试验结束时，轴箱温度没有达到平衡。第二次试验数据中，各测点最后趋于稳定且稳定时温升值都在30℃下满足条件，但稳定值数据采集较少（试验时间为2 h）。可能的影响因素是预备试验时间不够长，轴箱内的润滑脂分布不均匀而导致。第三次数据合格，由于前两次试验使轴箱内的润滑脂分布均匀，形成了稳定油膜，减少了摩擦产生的热量。

影响轴温的因素多而复杂，如轴承的品质与结构、轴承内摩擦、轴承工作环境、润滑脂粘度与品质和轴承系统的散热条件等。

（1）轴承品质与结构。目前采用的轮对轴承，主要是圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承两种结构。在高速和高负荷情况下，圆锥滚子轴承的轴向负荷主要是由滚道承受（约另有20%～30%是由内圈挡边承受），而滚子与滚道的接触面之间，主要是滚动摩擦；但圆柱滚子轴承则主要是靠两个挡边承受轴向负荷，滚子端面与挡边之间是滑动摩擦。所以圆锥滚子轴承摩擦力矩小，小摩擦力矩导致温度低。如有的实验表明，在时速250 km 条件下，圆锥滚子轴承温度比圆柱滚子轴承温度低15～20℃。同时轴承的精度等级不同，对轴承零件的表面粗糙度和工艺过程的不同要求，都会对轴温产生影响。此次试验中采用的轴承为同一型号，3次试验数据的差异，与轴承品质和结构无关。

（2）轴承润滑脂的粘度。轴承润滑脂的基本功能，是隔离轴承滚动件的金属表面，即在轴承滚动体与滚道的滚动表面之间，形成润滑油薄膜，减少摩擦与磨损和防止杂物进入轴承。高基油粘度，会使轴承工作温度高，减少润滑脂寿命，造成轴承早期疲劳。轴箱使用的润滑脂为同一型号，所以3次试验数据的差异，与润滑脂的粘度无关。

（3）轴承配合的影响。每一种轴承在一定的作用条件下，都有最佳的径向游隙。该径向游隙保证轴承的负荷合理地分布于滚动体之间，润滑脂油膜厚度合理且不容易破坏，轴承运转摩擦阻力小，温升正常。轴承的径向工作游隙，视径向配合游隙而定，而径向配合游隙，取决于原始径向游隙和轴承的配合。

因此，在原始径向游隙一定的前提下，轴承的配合如果过松或过紧，轴承的径向工作游隙将过大或过小，偏离其最佳径向工作游隙，运转时可能出现温升异常的现象。游隙过小，会使轴承工作温度升高，不利于润滑。分析对比试验数据可以看出，3次试验中1号及3号轴箱的温升较2号及4号轴箱的温升明显要小，1号及3号轴箱的温升比2号及4号轴箱的温升要低7～10℃。同一型号的轴承，安装孔直径尺寸公差与形位公差不同，导致了轴承的配合的差异。轴箱之间温升的差异，表明轴承的配合对轴箱温升有显著的影响。轴承的配合对轴箱温升有较大影响，但不是造成3次数据差异的主要因素。

（4）试验场地环境，如温度、湿度、风速，对试验也有一定影响。用4台工业电扇模拟风速约30 km/h。试验场地环境直接影响到轴箱的散热，3次试验时间分别在2011年9月28日下午，夜晚和次日上午，环境温度分别为25.1℃、23.1℃及22.0℃。现场环境对试验有一定影响，但不是3次试验数据差异的主要因素。

（5）润滑脂的填充量及分布。通常润滑脂的填充量，为轴承和轴承箱的自由空间的30%～50%，若填充量过多，在高速情况下，特别容易引起轴箱温升，所以高速车辆轴承的润滑脂填充量要少，以减少轴承内润滑脂搅动磨耗的能量，防止轴温过高。

在高速专用试验台上进行的试验结果表明，高速车辆轴承的润滑油量，对轴承性能有很大影响。试验时润滑油填充分别为225 g 和510 g，在静、动承载的不同工况下，填充量多比少可使轴温高出6～20℃，特别是在振动状态。

第一次试验中，温度一直处于上升阶段，轴箱散热不理想。

第二次试验时，温升在达到最高温度后，出现缓慢下降的趋势，其原因是在进行一段时间跑合后，轴箱内润滑脂的分布渐趋均匀。同时轴箱温度的快速上升，使得轴箱与外界环境之间温度差增大，散热速度加快，温升速度趋缓。随着试验的进行，轴箱的发热（主要是轴承的发热）与散热，渐渐达到一种动态平衡，温升维持在某一水平。

第三次试验中，轴温在1 h后趋于稳定，轴箱的发热与散热达到了动态平衡。润滑脂的分布是3次试验数据差异的主要因素。同时，3次试验数据表明，润滑脂的分布是否均匀，是影响轴箱温升的一项重要因素。