载荷及速度对高铁轴箱轴承温升的影响度

赵方伟， 张 弘， 张澎湃

(中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081)

中国幅员辽阔、内陆深广，各地区自然条件差异大，轴箱轴承作为铁路车辆的关键部件之一，在速度、载重、运行环境等外部因素的共同作用下，承受着复杂的服役条件，其故障问题直接影响列车的安全运行[1-2]。温升是监测轴箱轴承故障的重要指标，弄清包括列车运行速度、轴箱轴承承受的载荷等服役条件对轴箱轴承温升的影响度，据此改善轴箱轴承服役条件，降低轴箱轴承故障发生率，是保障列车安全运营迫切需要解决的问题，同时，对中国铁路车辆的修程修制具有重要的指导意义。

由于轴箱轴承对铁路车辆的重要性，中外学者在服役条件对轴箱轴承影响方面已做了许多研究。Schwarz[3]运用实验手段，在一定载荷作用下，设置不同转速范围，使轴承内部热温度分布稳定，研究了轴承内滚道与外滚道的温度差别。Yan等[4]建立了热生成模型，采用局部热法与弹性流体动力润滑(elastohydrodynamic lubrication,EHL)理论相结合的方法，研究了轴承在多种工况和结构参数下的轴承内部滚道位置温升分布。颜家森等[5]利用拟动力学仿真方法研究了外部载荷和列车运行速度对轴承内部载荷分布的影响，为分析轴承疲劳特性和寿命提供了基础理论参考。郝烨江等[6]在给定载荷工况下，仿真计算了不同速度等级对应的轴承应力场，研究表明，随着速度的提高，轴承内部应力逐渐增大。刘德昆等[7]基于线路实测的载荷数据，研究了随机振动载荷对轴箱轴承疲劳寿命的影响。以上研究主要集中在服役条件对轴承失效破坏及疲劳性能的影响，本文将通过台架交叉试验研究载荷、速度等重要外部条件对高铁轴箱轴承温升的影响度。

1 外部因素的确定

受高速动车组轴重、运行环境及复杂工况的影响，外部因素包括了径向载荷、轴向载荷、运行速度等。以运行350 km/h高速动车组轴箱轴承为研究对象，其轴重约为17 t，列车最高运行速度350 km/h。根据高速动车组轴箱轴承的运用信息，利用式(1)～式(3)可以确定轴承台架试验的基本外部加载条件大小[8]。

Fr=0.6(m-m0)g

(1)

Fa=0.255(104+mg/3)

(2)

(3)

式中：m为轴重，t；m0为簧下质量，t；g为重力加速度，9.81 m/s2；Fr为径向载荷，kN；Fa为轴向载荷，kN；n为电机转速，r/min；vtest为试验速度，km/h；c为试验台主轴与驱动电机间的传动比；D为车轮直径，m。

2 试验方案

2.1 试验加载原理

试验加载原理如图1所示。试验轴承被安装在试验轴箱内，可以同时开展两套轴承的试验。通过垂向作动器施加轴承单方向的径向载荷，通过横向作动器施加正反两个方向的轴向载荷。驱动电机带动试验车轴转动，模拟试验速度。试验过程中，通过冷却风扇模拟列车运行中的冷却风，并通过风速传感器控制冷却风速[9]。

图1 试验加载原理图Fig.1 Experimental loading schematic diagram

2.2 交叉试验方案

根据高速动车组轴箱轴承实际服役情况，设计轴承交叉试验方案。径向载荷因素选择一个水平，轴向载荷因素选择四个水平，速度因素选择八个水平。根据式(1)计算得到径向载荷为91.5 kN，径向载荷对应取91.5 kN；根据式(2)计算得到轴向载荷为16.7 kN，轴向载荷分别取4.2、8.4、12.5、16.7 kN；根据列车最高运行速度350 km/h，试验速度分别取50、100、150、200、250、300、350 km/h。不同径向载荷、不同轴向载荷、不同试验速度的交叉试验方案如表1所示。

表1 交叉试验方案

2.3 加载方案

在室内轴承台架试验台上，开展轴承温升交叉试验。为使轴承内部润滑达到最佳状态，正式试验前，设定低速、小载荷、短时间均脂跑合试验。在正式试验中，径向载荷恒定施加；轴向载荷双向脉动施加，按5 s(推)→5 s(停)→5 s(拉)→5 s(停)的周期循环进行[9]。试验加载方案如图2所示。

按照表1所示的交叉试验方案，进行正式台架试验，每个试验号对应一个试验循环，周期设定为4 h。试验运转过程中，保持室温20 ℃；靠近试验轴承处的冷却风速控制在8～10 m/s，试验停止状态冷却风速停止。实时监测轴承运转温度及试验台支承轴承温度，每隔1 min自动采集并记录一次数据，直到试验结束。

3 试验方案

3.1 轴承温度响应

按照表1交叉试验方案试验号，绘制每个循环过程中测量的负荷区的轴承有效温度响应曲线。

图3为轴承径向载荷91.5 kN，轴向载荷分别为4.2、8.4、12.5、16.7 kN时，不同速度下的温度曲线。对比相同载荷，不同速度下的温度曲线，可以看出，随着速度的提高，轴承温度不断升高；速度对轴承温度的影响比较明显。

t1=240 min，t2=120 min，t3=10 min，t4=90 min，t5=10 min，t6=10 s，t7=5 s，t8=0.2 s，t9=5 s图2 试验加载方案Fig.2 Test loading scheme

图3 轴向载荷12.5 kN时，不同速度下温度响应Fig.3 Temperature response at different velocities under axial Load of 12.5 kN

图4为轴承径向载荷100%，速度100 km/h，不同轴向载荷下的温度曲线。从图4中可以看出，相同速度下，随着载荷的增大，轴承温度不断升高。整体而言，速度对轴承温度的影响更加明显。

图4 速度100 km/h，不同轴向载荷下温度响应Fig.4 Temperature response at speed of 100 km/h under different axial loads

3.2 轴承最高温升

为进一步分析载荷及速度对轴承温升的影响，绘制了每个试验循环对应的最高温升曲线，如图5所示。为方便分析，图5中用虚线框划分了最高温升分布区域。

图5 轴承最高温升Fig.5 Bearing maximum temperature rise

图5中A区域为轴向载荷4.2 kN时，速度50、100 km/h分别对应的最高温升；B区域为轴向载荷8.4 kN时，速度150、200 km/h分别对应的最高温升；C区域为轴向载荷12.5 kN时，速度200、250 km/h 分别对应的最高温升；D区域为轴向载荷16.7 kN时，速度300、350 km/h分别对应的最高温升；E区域为速度100 km/h时，轴向载荷为4.2、8.4、12.5、16.7 kN分别对应的最高温升。

从图5中A、B、C、D区域的最高温升变化趋势来看，随着轴向载荷和速度的提高，温升在逐步增大，且上升趋势越来越陡，说明载荷和速度的同时提高使得轴承温升增大越来越剧烈。

A、B、C、D区域中的速度增量Δv均为50 km/h，在不同载荷水平下，提高相同速度对应的温升增量曲线如图6所示。由图6可以看出，随着载荷水平的提高，温升增量逐渐变大，说明载荷水平越高，速度的提高引起的温升增长率越大。

图6 A、B、C、D区域的温升增量Fig.6 Temperature increment in A, B, C and D regions

从图5中E区域可以看出，相同速度下，随着轴向载荷的增大温升不断上升。E区域中轴向载荷增量ΔFa均为4.2 kN，提高相同轴向载荷对应的温升增量曲线如图7所示，表明一定速度水平下，轴向载荷的增大引起的温升的增长率不一定越大。

图7 F区域的温升增量Fig.7 Temperature increment in F region

4 轴承温升的影响度分析

为对比分析载荷和速度对高速动车组轴温的影响程度，引入敏感度概念[10-12]。敏感度为无量纲值，可以反映外部条件的变化引起的温升变化程度，其计算公式如下：

(4)

图5中A区域代表了速度变化引起了温升的变化，E区域代表了轴向载荷的变化引起了温升的变化，对比分析A区域和E区域的敏感度。由式(4)计算A区域的敏感度为0.18，E区域的敏感度分别为0.04、0.06、0.01。由此看出，相比载荷变化，速度变化引起的温升变化更剧烈，说明速度对轴承温度的影响更加明显。

5 结论

(1)载荷和速度都会直接影响高速动车组轴温，载荷的增大和速度的提高都会引起高速动车组轴温的升高。

(2)载荷水平越高，速度的提高引起的轴温温升的增长率越大；一定速度水平下，轴向载荷的增大引起的轴温温升的增长率不一定越大。

(3)相比载荷变化，速度变化引起的温升变化更剧烈，速度对轴承温度的影响更加明显。