地铁车辆轴箱轴承的设计

曾献智，孙立明，郭向东，叶亚飞，孙盼盼

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

随着经济的发展和社会的进步，交通问题成为制约我国城市发展的瓶颈。地铁因具有占用土地少、运输效率高等优点，成为解决城市交通问题的有效途径，近年来取得长足的发展。随着投入运营的地铁车辆及其通车里程的不断增加，对车辆轴箱轴承的需求和消耗也将大增。为支撑国内蓬勃发展的轨道交通产业，实现地铁车辆轴箱轴承的国产化配套，开展地铁车辆轴箱轴承的设计开发及相关技术研究十分必要。在此针对某型地铁车辆用轴箱轴承，根据其工况条件和使用要求，采用系统化和个性化设计理念对其进行分析。

1 工况条件

地铁车辆与铁路车辆运行特点虽有很多相似之处，但仍有其特殊之处，如地铁列车启停频繁、运行间距和持续运行时间短等。设计的地铁车辆轴箱轴承的工况条件和使用要求为：车辆运行正常速度80 km/h，最高速度120 km/h，车辆轮轴载荷142.1 kN，车轮平均直径Dn=805 mm(新轮/全磨耗轮840/770 mm)；轴承外形尺寸Φ120 mm×Φ215 mm×146 mm，滚子组内复圆直径141.5 mm，最大轴向载荷56.84 kN，最高工作温度70 ℃，脂润滑，99%可靠性的寿命为120×104km。

地铁车辆对该轴承的转速性能要求不高，但车辆的超载、频繁启停和高安全性的运行条件又对轴承提出很高的要求和挑战，因此设计时需在轴承承载能力、寿命、可靠性及润滑等方面采取有针对性的对策。

2 轴承结构

地铁车辆轴箱轴承依车型不同可选择不同的结构类型，如2套圆柱滚子轴承组合型、双列圆锥滚子轴承型和双列圆柱滚子轴承型，如图1～图3所示。由于地铁列车运行速度不高，转弯时离心力作用于轴承上的轴向载荷相对较小，圆柱滚子轴承就可以满足使用要求[1]。考虑车辆轴箱结构和轴承结构的紧凑性，在此选择双列圆柱滚子轴承结构(图3)。

图1 2套圆柱滚子轴承组合型轴箱轴承

图2 双列圆锥滚子轴承型轴箱轴承

1—密封盖；2—平挡圈；3—滚子；4—中隔圈；5—保持架；6—内圈；7—外圈

该轴承外圈为整体式双滚道结构，仅带1个中挡边，与传统3挡边结构相比，结构更加简单，安装拆卸也更加方便。内圈为整体式单滚道结构，带1个挡边。内、外圈挡边与平挡圈的简单结构配置即可实现承受双向轴向载荷的功能。中隔圈置于2列滚子中间，起引导滚子的作用。保持架采用滚子引导的整体式青铜保持架。外圈两端设置密封槽，安装金属密封盖。此结构双列圆柱滚子轴承可承受较大的径向和轴向联合载荷，整体强度高，结构简单、紧凑，加工、安装和拆卸方便。

3 轴承设计

3.1 材料

地铁车辆运行中会产生冲击载荷，因此，轴承零件应采用抗冲击性能好的材料，同时还要兼顾轴承的寿命和可靠性，以满足车辆运行的安全性要求。鉴于此，内、外圈和平挡圈材料采用GCr18Mo电渣重熔钢，采用贝氏体等温淬火工艺获得下贝氏体组织，具有良好的韧性，可提高轴承的抗冲击性能、寿命及可靠性。滚子材料采用GCr15电渣重熔钢，采用马氏体淬回火工艺获得马氏体组织，具有较高的抗接触疲劳强度，可提高轴承的寿命及可靠性。中隔圈不承受轴向载荷，因此，其材料采用GCr15钢，采用马氏体淬回火工艺即可满足要求。保持架材料采用青铜，密封盖材料采用08Al。

3.2 主参数

轴承主参数的优化设计是在有限的几何空间内，通过目标函数的建立、约束条件的确定和优化问题的求解，以获取轴承的最优主参数组合，达到设计所追求的目标。由于轴承转速不高，承受载荷较大，安全性要求较高，因此优化设计以额定动载荷为目标函数，在追求承载能力最大化的同时，兼顾轴承的整体强度、寿命及可靠性。优化设计的数学模型为[2]

经优化求解可得，轴承的主参数为：Dwe=26 mm，Lw=50 mm，Z=16。

3.3 结构参数

3.3.1 游隙

游隙是轴承的一个重要结构参数，对轴承的运转性能、承载能力、寿命及可靠性有重要影响[3]。游隙设计应依据轴承具体的工况特点，考虑安装配合、温升效应、接触变形等对游隙的影响，最终使轴承处于最佳工作游隙状态[4]。经理论计算并参考相关工程实践经验，得出该轴承设计的游隙为0.12～0.17 mm。

3.3.2 套圈挡边与滚子端面匹配设计

地铁车辆在行驶过程中，因车辆转弯产生的离心力会使轴承承受轴向载荷。轴承工作中套圈挡边与滚子端面为滑动接触，两者间的摩擦发热是制约轴承轴向承载能力的关键。理论和试验研究表明，斜挡边和球基面的匹配能够减小接触摩擦副的摩擦，提高轴承的轴向承载能力。基于这一理念，取套圈挡边斜面角度(挡边与端面夹角)β=17′，则滚子球基面曲率半径R=(Dwe/2-H)/sinβ=2 150 mm，H为套圈挡边与滚子球基面间接触点的高度，为套圈挡边高度的一半。

3.4 保持架

该轴承采用滚子引导的实体青铜保持架，如图4所示。该保持架为整体式结构，强度高；窗孔过梁(滚子引导面)为圆弧形结构，依靠圆弧面自然形成锁口，无额外凸起的锁点，结构简单，且圆弧面可改善滚子的引导效果，提高滚子的运转平稳性，减小轴承的摩擦发热和振动。保持架窗孔四角设计的凹槽结构使保持架过梁面与端面平滑过渡，可减小该处的应力集中，提高保持架的强度；同时，凹槽可以储存部分油脂，改善润滑状况，减小摩擦。

图4 保持架结构图

3.5 凸度设计

轴承凸度设计包括凸型设计、凸度量设计和凸度匹配3个方面，是一个精细而复杂的分析过程。目前，轴承常用的凸度形式有对数型、圆弧全凸型和圆弧修缘型；凸度量的计算一般基于Hertz理论，凸度匹配有1凸、2凸、3凸、4凸等。研究表明[5]，采用对数素线滚子的1凸设计即可较好地解决轴承接触中应力集中的问题，并满足工程需要。因此，地铁车辆轴箱双列圆柱滚子轴承沿用1凸对数型凸度设计理念，并采用有限元分析方法得到了滚子的凸度量和滚子素线对数曲线方程[6-8]。为了对比研究，将直素线、1凸圆弧全凸素线及对数素线滚子与内滚道的接触应力进行了有限元分析，结果如图5～图7所示。

由图5～图7可知，对数素线滚子的接触应力分布较为均匀。对数素线滚子凸度量为0.010 mm时，最大接触应力为1 043 MPa；凸度量为0.020 mm时，最大接触应力为1 082 MPa。虽然0.020 mm凸度量时的最大接触应力比0.010 mm凸度量时大3.7%，但却大大增加了轴承对外部载荷的适应能力，具有较高的安全储备。因此，本设计取滚子凸度量为0.020 mm，滚子素线对数曲线方程为

图5 直素线滚子的接触应力分布

图6 圆弧全凸素线滚子的接触应力分布

图7 对数素线滚子的接触应力分布

3.6 润滑

地铁车辆的安全性对轴承可靠性提出很高的要求，因此，轴承的可靠润滑至关重要。轴承可靠润滑除选用恰当的润滑脂外，还与轴承的载荷、转速及温度等相关。所设计的地铁车辆轴箱轴承具有频繁启停、区间运行时间短的工况条件，使得滚子和滚道间难以形成稳定的润滑油膜，因此，轴承大部分时间处于边界润滑状态，很难实现可靠润滑。由于轴承工况条件的特性，润滑脂性能指标的改善很难满足工况要求，为此采用添加固体润滑颗粒的润滑脂，在轴承难以形成润滑油膜时，固体润滑颗粒可以实现轴承的润滑，保证轴承可靠润滑。地铁车辆运行速度不高，对润滑脂的填脂量没有严格要求，此处设计的填脂量为250 g。

4 性能分析

4.1 承载能力及寿命

4.1.1 径向基本额定动载荷

根据GB/T 6391—2003，该轴承的径向基本额定动载荷为

4.1.2 径向基本额定静载荷

根据GB/T 4662—2003，该轴承的径向基本额定静载荷为

式中：Lwe为滚子有效长度；Dpw为滚子组节圆直径。

4.1.3 轴向承载能力

圆柱滚子轴承轴向承载能力的计算有多种计算模型，如SKF模型、NSK模型等[9]，这里采用较常用的SKF模型对设计轴承的轴向承载能力进行计算评估。该轴承的许用最大轴向载荷为

式中：k1=1.5；k2=0.15；n为轴承转速，n=791 r/min(由车辆120 km/h的运行速度计算得到)；Pr为轴承当量载荷；fz为动载荷系数，取fz=1.5；Fr为轴承承受的径向载荷，为车辆轮轴载荷的一半。

列车运行时，作用在轴承上的最大轴向载荷为56.8 kN，小于轴承设计的最大许用轴向载荷。

4.1.4 寿命

根据GB/T 6391—2003和ISO 281:2007，轴承可靠度99%的修正寿命为

L1m=a1aISOL10=153×104km，

式中：a1为可靠度系数，a1=0.25；aISO为寿命修正系数，采用ISO 281:2007计算方法得到aISO=2。计算表明，轴承能满足该型地铁车辆的运营检修及寿命要求。

4.2 转速

轴承设计极限转速[10]为

式中：f1为轴承尺寸系数，查表取0.9；f2和f3为轴承载荷影响系数，查表分别取0.9，0.4；f4为轴承结构优化影响系数，取1.5；A为轴承结构系数，查表取430 000；Dm为轴承平均直径。

从而可得列车运行最高速度为

vj=60×10-6πDnnj=189 km/h，

满足该型地铁车辆120 km/h的运营速度要求。

4.3 可靠性

轴承可靠性可以从材料及热处理质量、轴承整体强度和润滑3个方面考虑[11]。在材料及热处理方面，通过选择合适的材料和热处理工艺，可以提高轴承的接触疲劳强度和抗冲击性能，从而提升轴承的可靠性。在轴承整体强度方面，通过轴承结构的优化设计，在提高轴承的承载能力和寿命的同时，使轴承各零件强度合理匹配，不仅降低了轴承提前失效的概率，而且改善了轴承内部的应力状态，提高了轴承的整体强度和可靠性。在润滑方面，采用添加固体润滑颗粒的润滑脂，保证了轴承的可靠润滑，极大地提高了轴承的可靠性。

5 结束语

文中针对地铁车辆的运行条件和要求，以典型型号的车辆轴箱用双列圆柱滚子轴承为研究对象，从轴承结构、材料、润滑、承载能力、速度性能、寿命及可靠性等方面开展了系统的研究分析。而高可靠性是地铁车辆轴箱轴承的核心技术特征。针对这一技术特征，只有对轴承的基础理论、设计开发及相关技术开展系统研究，突破关键技术，掌握核心技术，形成整套技术，才能实现地铁车辆轴箱轴承的国产化配套，支撑国内蓬勃发展的轨道交通产业。