动车组牵引电机轴承载荷分析

张超

【摘  要】在牵引电机轴承转动期间，轴承游隙会由于机械负载而变化。当轴承具有正游隙时，牵引电机的转子将不再协作。活动量的增加会引起偏心，在牵引电机的偏心工作状态下，会产生偏心方向上不平衡的磁拉力，它将直接作用在轴承的内圈上，这将大大增加轴承的实际载荷。

【关键词】牵引电机、轴承载荷、轨道车辆

引言

动车组牵引电机轴承是在电机机械传动过程中固定并减小负载摩擦系数的组件。其主要功能是支撑电机的转子，以减小牵引电机在传输过程中的机械负载摩擦系数。本文研究了动车组牵引电机的轴承载荷。

1.牵引电机轴承概述

牵引电机轴承的结构通常在驱动端使用深沟球轴承，在非驱动端使用圆柱滚子轴承。在轴承设计中，通常在滚动元件与内圈和外圈之间的接触空间中留有一定的余量，即轴承游隙。轴承游隙的存在是确保电机平稳运行的重要保证。轴承游隙分为正游隙和负游隙。当轴承游隙改变时，滚动体与滚道之间的接触角将相应地改变，这会影响滚动体的运动。同时，游隙还会改变轴承在负载下的载荷分布、应力分布、接触变形等，从而导致轴承的疲劳寿命发生变化。同时，径向游隙也是轴承维护期间相对容易测量的参数。使用径向游隙来预测轴承的寿命是一种在实际应用中评估轴承状态的简单可行的方法。

牵引电机和轴承是机电组合，并且轴承的工作状态的改变将不可避免地引起电机的工作状态的改变。如图1所示，由于轴承的内圈和转子轴紧密同轴地接合，因此轴承径向游隙的增加不仅会改变轴承的内部载荷分布，还会引起牵引力电机转子偏离定子中心轴而变得偏心现象。牵引电机的偏心转子产生的电磁力将直接作为载荷作用在轴承上，这不可避免地会影响轴承的疲劳寿命。偏心磁力会导致转子变形，严重时会发生扫气现象。同时，偏心磁力会增加轴承的磨损，从而进一步增加游隙并同时增加偏心率。因此，当牵引电机的轴承的游隙发生变化时，其寿命分析应综合考虑轴承自身载荷的分布以及牵引电机的电磁力的影响。

2.牵引电机轴承载荷分析

动车组牵引电机轴承在复杂的行驶环境中工作，牵引电机频繁启动和停止。因此，牵引电机轴承要承受不同类型的载荷。在正常的无偏状态下，轴承内圈也将承受轴承内圈和轴伸部相互穿透时产生的预紧力，轴伸部自身的重力以及在轴承旋转过程中滚子产生的离心力。偏心磁张力将导致轴承承受额外的载荷。通过将这些载荷叠加在一起，可以获得轴承寿命预测所需的综合载荷。

2.1径向集中载荷分析

（1）轴承内圈预紧力

牵引电机转子的重量不能满足轴承所需的最小负荷。为了确保轴承内圈和转子轴的正常啮合，在安装轴承时需要过盈组件。此时，轴承内圈受到径向预紧力。圆柱轴承的最小径向载荷计算公式为

其中，是最小负荷系数，n是转速，是参考转速;是轴承节圆直径。

其中d和D分别为轴承内外直径。由此计算牵引电机轴承内圈所受预紧力。

（2）轴承滚动体离心力

在轴承转动过程中，轴承滚动体会受到惯性离心力，每个滚动体产生的离心力为：

其中，是滚子直径（mm）;是滚子的公转速度、保持架速度，r/min;是滚动体中心所在直径（mm）。

（3）轴伸重力

轴伸的重力是根据转子轴伸的体积和与电机相对应的材料密度来计算的。在轴承工作条件下，预载径向载荷，滚动元件的离心力，轴伸重力和牵引电机的偏心载荷的组合载荷将用作实际的径向集中载荷，如图2所示。

2.2 双轴承系统载荷分布分析

上面的偏心载荷分析是一个单轴承系统，实际的牵引电机使用一个双轴承系统。

动车组牵引电机通常在驱动端使用深沟球轴承，在非驱动端使用圆柱滚子轴承。对于双轴承系统，需要考虑两个轴承上径向集中载荷的分布。由于两端轴承的工作条件不同，游隙测量量可能会有所不同。当两端的轴承的偏心率不同时，牵引电机将不仅具有转子的径向偏心率，而且具有轴向的偏心率。从以上推导中可以知道，转子径向截面微元件所承受的单向磁拉力与偏心率近似线性，轴向偏心率与轴向距离近似线性。因此，径向集中载荷不再在轴向上均匀分布，而是轴向距离的函数，如图3所示。

2.3轴承游隙对径向载荷分布的影响

在运行过程中，位于不同位置的轴承的滚动元件上的负载不相等。滚动元件的最大载荷直接影响轴承的疲劳寿命。疲劳寿命随着最大负载的增加而降低。因此，任何影响载荷分布的参数都将间接影响轴承的疲劳寿命。径向游隙是参数之一。游隙的变化将使每个滚子的负载发生变化，从而影响轴承寿命。

当不满足位置角条件时，滚动体被卸荷，在内外滚道接触处的等效动载荷为0。由上述分析可知，径向轴承中滚动体的载荷不是恒定的，但与轴承游隙有关。轴承游隙的大小直接影响内部载荷区域的大小。当轴承游隙在运行过程中发生变化时，由于机械载荷的变化，不同滚动体和滚道之间的接触部件的疲劳寿命也会发生变化，如图4所示。当游隙和载荷已知时，以上公式最终获得轴承内外滚道的等效动载荷分布。基于此，将计算出牵引电机的径向轴承的疲劳寿命。

3.结论

本文分析了滚动轴承出现游隙时，牵引电机对轴承所受工况载荷的影响。正游隙的出现使得转子部件自由活动量增加，牵引电机出现转子偏心的现象。偏心后的单边磁拉力將与轴承所受额定载荷一起形成滚动轴承所受的联合载荷。

参考文献

[1]杨国安.滚动轴承故障诊断适用技术[M].北京：中国石化出版社，2012.

[2]汤武初，王敏杰，陈光东，等.高速列车故障轴箱轴承的温度分布研究[J].铁道学报，2016，38（7）：50-56.

[3]王勇，韩伟，王凤才.高速铁路轴箱轴承接触润滑机理[J].机械设计与制造，2017（5）：131-134.

[4]全国滚动轴承标准化技术委员会（SAC/TC98）.滚动轴承额定动载荷和额定寿命：GB/T6391—2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[5]郑静.高速列车轴箱轴承疲劳寿命研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[6]高雅璐.动车零部件寿命预测与全寿命周期研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.

[7]查浩，任尊松，薛蕊，等.高速动车组轴箱轴承累积损伤与疲劳寿命研究[J].铁道学报，2018，40（10）：30-35.