大轴重铁路货车轴承选型与设计

宋世勇，崔传荣，顿丽华

大轴重铁路货车轴承选型与设计

宋世勇，崔传荣，顿丽华

（瓦房店轴承集团有限责任公司，辽宁 瓦房店 116300）

根据重载货运需求，借鉴既有铁路货车轴承成功使用的经验，进行了重载铁路货车轴承选型、设计及维护的研究，通过优化设计、仿真分析及综合试验等手段，实现了重载铁路货车轴承的合理设计，满足了重载铁路货车的使用要求。

重载铁路货车轴承；微观结构设计；接触应力；塑料保持架；整体式轻接触迷宫密封

1　前言

当前，世界各国铁路发展呈现着“客运高速”和“货运重载”两大趋势，也就是说世界铁路向客运高速化和货运重载化方向发展。因为我国的铁路货运的速度、密度已经趋于饱和，提高铁路货运能力也主要靠提高载重来实现，研制大轴重货车则是我国铁路货运的发展方向。

轴承是铁路货车的关键零件之一。轴承支撑着车体的质量和载荷，是车辆稳定高速运行的基本保障。轴承是高速旋转的部件，轴承故障不仅会引起轴承的损伤，而且会危及列车的安全运行，因此需要对大轴重铁路货车轴承的选型、设计、运行维护的各个环节开展深入分析研究，预防故障的发生。

2　轴承选型

我国铁路货车轴承采用无轴箱应用形式，轴承通过承载鞍与转向架（见图 1）相连，承受整个车体重量，轴承载荷除了车体重量外，还需承受来自钢轨的冲击载荷和转弯时的轴向载荷，因此轴承在选型时，除了要考虑轴承能够承受较大的载荷外，还要满足一定的耐冲击载荷和轴向载荷。当前，国际上使用的轴承类型主要是载荷容量较大的圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承。

圆柱滚子轴承径向承载能力较大，通过结构优化，也能承受一定的轴向载荷。圆锥滚子轴承既具有较大的径向承载能力，也具有较大的轴向承载能力，更适合我国的铁路线路工况，目前我国的铁路货运列车轴承主要采用圆锥滚子结构。考虑到轴承的低成本化和使用维修周期长，根据圆锥滚子轴承承载特点及我国既有铁路货车轴承应用情况，大轴重铁路货车轴承采用自密封的圆锥滚子轴承。

图1　重载货车转向架

3　轴承设计

3.1轴承主参数选择

轴承设计主参数优化的重要问题是确定优化原则，即以轴承具有最长疲劳寿命为目标。根据轴承寿命方程可知，在轴承承载条件一定时，轴承的基本额定动载荷Cr越大，轴承疲劳寿命越长。根据国际ISO281标准，轴承额定动载荷与以下参数有关：

Cr=bmfc（iLwecosα）7/9Z3/4Dwe29/27（N）

上述公式是以Cr为单一目标的多变量函数，考虑铁路货车轴承径向承载力较大，轴向承载力相对小的特点，轴承的接触角一般选择10°即能满足轴向承载要求，在此条件下，影响Cr的变量主要为滚子直径尺寸、滚子长度尺寸及滚子个数。

重载铁路货车轴承的主要设计思想是轴承的整体结构合理，根据参数变量对Cr的影响大小进行参数选取，其中滚子直径影响大于滚子长度，滚子个数影响最小，因此在保证内外圈最小壁厚、内外圈刚度及强度满足要求的情况下，选择大尺寸的滚子直径，长度选取应保证轴承大小挡边具备足够的强度，滚子个数可以相对减少。

3.2轴承微观结构设计

3.2.1滚子球基面与内圈大挡边设计

滚子球基面半径根据计算半径的80～90%进行圆整，轴承内圈大挡边采用斜挡边，根据圆整后的球基面半径确定挡边的角度，使球基面在斜挡边的中部接触。该结构可有效形成流体润滑油膜，改善滚子球基面与挡边之间的润滑状态，降低滑动摩擦及运转温升，减少滑动磨损，提高轴承的运转可靠性。

3.2.2滚子与套圈滚道表面设计

在铁路货车轴承应用设计中，套圈滚道一般采用微凸度设计，滚子母线则采用对数曲线修形。该结构设计可实现轴承在重载工况下，工作表面的接触应力均匀，防止轴承因出现边缘应力造成轴承早期疲劳失效。滚子母线的对数曲线方程是根据轴承的承载情况，对承载载荷最大的滚子进行计算，保证滚子承载接触应力均匀，在承受轴向力时，其承载接触应力也接近均匀分布，见图 2。

图2　不同修形滚子的承载应力

3.3保持架设计

大轴重铁路货车轴承保持架采用玻璃纤维强化的聚酰胺材料，该保持架具有重量轻、耐腐蚀、自润滑、低噪音及良好的工艺性能等优点，目前在轨道交通轴承上广泛应用。

虽然塑料保持架在应用上有许多优点，但在设计时需要充分考虑保持架的窗梁强度，以保证轴承能够满足使用要求。该轴承在设计时，在保证轴承整体结构合理情况下，通过对选择不同滚子参数轴承的保持架进行仿真分析及试验，确定轴承的最佳设计参数，见图 3、图 4。

3.3.1保持架窗梁冲击性能试验

将保持架窗梁样块在夏比冲击试验机上做窗梁冲击强度试验，试验结果见表 1。

3.3.2保持架拉伸强度试验

图3　保持架窗梁强度分析

图4　保持架窗梁冲击性能试验

采用电子万能试验机施力到保持架邻近的两个窗梁上，保持架持续受载至断裂为止，变形速度为5mm/min，导致断裂的力即为保持架拉伸强度。试验分直拉伸试验和斜拉伸试验，试验情况见图 5 和表 2。

表 1　保持架冲击强度试验结果/J

图5　保持架拉伸强度试验

表 2　保持架拉伸强度试验结果/N

根据分析及试验结果，在保证轴承承载能力情况下，选择保持架窗梁强度最高的方案，提高轴承的运行可靠性。

3.4密封设计

早期铁路无轴箱轴承密封采用的是密封橡胶与密封座组成的接触式密封系统（见图 6）。为确保密封性能，该密封在主密封唇上置入弹簧，在应用过程中，由于密封圈压紧力大，造成轴承在高速运转时的摩擦发热量大，轴承运转温升高，容易因橡胶老化造成密封失效，使轴承的维护周期缩短。

图6　轴承密封结构

随着铁路货车轴承技术发展与创新，轴承的密封系统已得到了较大的改进，目前有迷宫式密封、组合式密封、整体式轻接触迷宫密封等结构，见图 6，其中迷宫式密封是与密封座组成密封系统，轴承轴向占用空间大，不利于重载轴承承载。组合式密封要求轴承附件加工精度高，工艺性较差，而本轴承采用的整体轻接触迷宫密封装置取消了密封座，缩短了轴承轴向尺寸，减小橡胶主唇口的压紧力，降低了摩擦发热，延长了密封橡胶寿命，延长了轴承维护周期。同时，通过增加迷宫结构，实现了比传统型密封更优的密封性能。通过轴承试验验证，新结构密封与传统型密封相比，能降低使用温度20℃左右。

4　运行维护

轴承的安装与运行维护在铁路总公司关于《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》中已做了详细规定，完全可以满足重载货车轴承的需要。为了方便轴承的安装、拆卸及检修维护，大轴重铁路货车轴承在实现整体冷压装及拆卸的基础上，轴承密封罩端面设置了三个拆卸孔，其中用橡胶填充，在轴承拆解时，可通过专用工装直接将密封与轴承拆解开，方便了轴承检修与维护。

5　结束语

通过对大轴重铁路货车轴承的设计研究，不仅实现了为重载铁路货车配套，实现重载运输，而且构建了重载铁路货车轴承的研发平台，为后续更大轴重铁路货车轴承研发提供良好的经验和技术基础。

（编辑：钟媛）

Type selection and design of heavy axle and heavy haul railway freight car bearing

Song Shiyong， Cui Chuanrong， Dun Lihua
（ Wafangdian Bearing Group Co.， Ltd.， Wafangdian 116300， China ）

According to the demand of heavy haul freight transportation， the selection， design and maintenance of the bearing of the heavy haul railway freight car are studied based on the experience of the successful use of the existing railway freight cars. Through the optimization design， simulation analysis and comprehensive test and other means， the design of the heavy haul railway freight car bearing is realized to meet the use requirements.

heavy haul railway freight car bearing； microstructure design； contact stress； plastic cage； integral light contact labyrinth seal

TH133.33+2

A

1672-4852（2016）03-0003-03

2016-08-08.

宋世勇（1970-），男，高级工程师.