地鐵軸承的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李錦紅，孫曉梅，李建輝

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 進(jìn)出口公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

2 兩面帶密封罩的雙列圓錐滾子軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)

兩面帶密封罩的雙列圓錐滾子軸承用在地鐵A型車上，下文采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)某雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，通過優(yōu)化軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以顯著提高軸承的額定載荷，從而提高軸承的額定壽命。同時(shí)對(duì)地鐵軸承的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。軸承結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.1 主參數(shù)的符號(hào)

圖1 軸承結(jié)構(gòu)

外滾道接觸角 α

圓錐滾子半錐角 φ

滾子中心線與軸承中心線夾角 γ=α-φ

內(nèi)圈錐角 β=α-2φ

滾子直徑 Δ

滾子長(zhǎng)度 l

外滾道小端直徑 E

2.2 外圈計(jì)算公式

外滾道大端直徑

D2=D1+2C*tg(α)

外圈打印中心徑

Dk=0.5[(D-2*r3max)+(D1+2*r6max)]

外圈打印面高度

hw=0.5[(D-2*r3max)-(D1+2*r6max)]

2.3 內(nèi)圈計(jì)算公式

內(nèi)圈弧擋邊曲率半徑

ρ=0.5Δ/sin(φ)

內(nèi)圈弧擋邊厚度

a0=T+0.5D1/tg(α)-ρ*cos(β)

內(nèi)圈滾道與弧擋邊交點(diǎn)處直徑

d1=2ρ*sin(β)

外圈滾道母線與滾子大端面交點(diǎn)直徑

D3=2ρ*sin(α)

內(nèi)圈滾道寬度

L=(l+εl)*cos(β)/cos(φ)

內(nèi)圈小擋邊厚度

a1=B-L-a0

滾子母線中點(diǎn)的垂線與軸線的交點(diǎn)至外圈寬端面距離

a=[ρ-0.5 l/cos(φ)]/cos(α)-0.5*D1/tg(α)

驗(yàn)算軸承裝配高

ΔT=T-[a0+Δ*cos(φ)/sin(α)-0.5(D1-d1)/tg(α)]-0.0001

必須保證 ΔT≤ 0.002

大擋邊直徑

d2=d1+Kd2*Δ

小擋邊端面與內(nèi)滾道母線的交點(diǎn)直徑

d4=d1-2L*tg(β)

小擋邊直徑

d3=d4+Kd3*Δ

做成直端面時(shí):a2=D1/[2*tg(α)]+T-sqrt(ρ2-d22/4)

λ=arctg[2*(a2-a0)/(d2-d1)]

λ1=90°-λ+β

d1'=d1/cos(λ-β)

a0'=D1/[2*tg(α)]+T-ρ*cos(β)/cos(λ-β)

內(nèi)圈打印中心徑

dnk=0.5[(d2min-2*r7max)+(d+2*r1max)]

打印面寬度

hn=0.5[(d2min-2*r7max)-(d+2*r1max)]

內(nèi)圈最小有效壁厚

Sn=0.5[d1-2L*tg(β)-d]

Sn-Ksn*(D-d)≥0

驗(yàn)算內(nèi)、外套圈最小有效壁厚差G

2.4 外圈最小有效壁厚計(jì)算公式

Sw=0.5(D-D3)9.33G=Sn-Sw

驗(yàn)算圓錐滾子是否凸出外圈端面

c2min=C-(T-a0-Δ*sin(γ)+r6max-cmin)≥0

c3min=(Tmin-a0-Δ*sin(γ)

-r6max-l*cos(α)*sec(φ)+c1min)≥0

2.5 檢查滾子及檢查直徑的計(jì)算公式

檢查滾子長(zhǎng)度

lj=lb-0.15

ox1=ρ+0.5(lb-ln)

檢查滾子大端直徑

Δj=2(ox1-0.15)tg(φ)

檢查滾子小端直徑

Δj1=2(ox1-lb)tg(φ)

Cj=0.5Δj

Cj1=0.5Δj1

檢查滾子外接圓直徑

D5=2(ox1-0.15)sin(γ)cos(90°/Z) +Δj*cos(γ)+εΔ*

cosec(θ1)

檢查滾子內(nèi)接圓直徑

D6=2(ox1-lb)sin(γ)cos(90°/Z)-Δj1*cos(γ)+εΔ*cosec(θ1)

2.6 額定載荷計(jì)算公式

滾子平均直徑

Δm=Δ-l*tg(φ)

滾子有效長(zhǎng)度

lu=0.94*l

滾子節(jié)圓直徑

Dm=d1+Δ*cos(γ)-l*sin(γ)

γ0=Δm*cos(α)/Dm

額定動(dòng)負(fù)荷

Ca=1.1*fc[i*lu*cos(α)]ZΔ

額定靜負(fù)荷

Co=44(1-Δm*cos(α)/Dm)*i*Z*lu*Δm*cos(α)

2.7 滾子計(jì)算公式

滾子小頭直徑

Δ1=Δ-2 l*tg(φ)

大端凹穴直徑

Δp=Δ-(d2-d1)sec(γ)+2*r8并查表取值

滾子大端面球基面半徑

ρr=0.95ρ

圓錐滾子半凸度尺寸計(jì)算如下

弧坡寬度

lco=0.12 lu

滾子大端處到滾子母線直線部分的寬度

lc'=lco+c

滾子小端處到滾子母線直線部分的寬度

lc1'=lco+c1

lc',lc1'的允差為+0.04 lu

滾子母線直線部分的寬度

l1=l-lc'-lc1'

弧坡高度(半凸度量)

δmax=0.1*lu*tg(0°20')

δmin=0.7δmax

弧坡的曲率半徑

2.8 保持架采用塑鋼尼龍材料的筐形架

3 地鐵軸承的應(yīng)用

（1）BT2-8545產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（見圖1）采用一側(cè)輕接觸橡膠密封圈，一側(cè)帶傳感器的防塵蓋密封的雙列圓錐滾子軸承，其內(nèi)、外滾道及滾子表面圓弧凸度，用于減少應(yīng)力集中，延長(zhǎng)疲勞壽命，消除邊緣應(yīng)力效應(yīng)，凸度值為：0.011～0.015；保持架結(jié)構(gòu)是國(guó)際最新結(jié)構(gòu)，材料采用PA66-GF25-JB/T7048增強(qiáng)尼龍；這種材質(zhì)摩擦系數(shù)小，噪聲低、能自潤(rùn)滑。技術(shù)性能：載荷:Cr=868kN,C0r=1598kN,轉(zhuǎn)速120km/h，使用溫度不超過50°C，扭矩不得小于122.5N·m城市軌道交通進(jìn)入史無前例快速發(fā)展階段，僅北京、天津建成42公里，到2006年底15個(gè)城市建585km,在建20條線路603公里，目前經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)21個(gè)城市在今后10年左右將建設(shè)62條線路17000多公里，總投資6200多億。中國(guó)機(jī)車車輛制造業(yè)是世界各國(guó)中生產(chǎn)規(guī)模最大，加工設(shè)備最先進(jìn)的企業(yè)，每年出口機(jī)車車輛及配件約5億美元，中國(guó)南車集團(tuán)公司和中國(guó)北車集團(tuán)公司是中國(guó)機(jī)車車輛制造業(yè)的核心。開發(fā)機(jī)車車輛用軸承刻不容緩，勢(shì)在必行。

（2）軌道交通技術(shù)裝備是城軌系統(tǒng)技術(shù)水平的標(biāo)志，涉及機(jī)械、電氣、電子、自動(dòng)化、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。技術(shù)裝備種類繁多、涉及面廣，既有移動(dòng)設(shè)備，又有固定設(shè)備，涵蓋了車輛、供電、信號(hào)、通信、自動(dòng)售票、通風(fēng)、空調(diào)采暖、防災(zāi)與報(bào)警、環(huán)保、設(shè)備監(jiān)控、行車綜合監(jiān)控等各種機(jī)電和自動(dòng)化設(shè)備。這些設(shè)備的技術(shù)參數(shù)必須合理匹配，使城市軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)實(shí)現(xiàn)高速度、高效益、高效率。21世紀(jì)中國(guó)軌道交通發(fā)展由中國(guó)鐵路向中國(guó)軌道交通全面發(fā)展；中國(guó)軌道交通由干線鐵路網(wǎng)、地區(qū)鐵路網(wǎng)、城市軌道交通網(wǎng)三部分組成，干線鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃已經(jīng)國(guó)務(wù)院通過，至2020年達(dá)10萬公里，其中新建客運(yùn)專線7100公里。其中京滬、京廣、京哈、隴海均建時(shí)速300km/h的高速鐵路，地區(qū)網(wǎng)是中國(guó)鐵路建設(shè)的空白，是和發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路相比最主要的差距。

城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)；1965-1995年僅北京、天津建成42公里，1995-2006年底全國(guó)15個(gè)城市共建585km;郊區(qū)鐵路（市域快線）開始發(fā)展津?yàn)I線、大連3號(hào)線（火車站-金石灘），上海9號(hào)線、上海11號(hào)線郊區(qū)段；使用最廣泛的具有自動(dòng)駕駛性能的地鐵A、B型車輛，跨座式單軌線路車輛、線性電機(jī)車輛、輪胎式自動(dòng)導(dǎo)向車輛、輕軌線路低地板車輛。運(yùn)營(yíng)最大客運(yùn)量單向4.5-7.5萬人次/小時(shí)，車輛定員310人/m2，最大運(yùn)行速度120km/h，列車控制方式：ATC（具有自動(dòng)駕駛性能、ATC信息系統(tǒng)）

建設(shè)上海1號(hào)線和廣州1號(hào)線地鐵開始，廣泛采用各國(guó)最新技術(shù)裝備，建成了具有一流水平的城軌交通系統(tǒng)。

（3）車輛-轉(zhuǎn)向架，A型車和B型車均采用國(guó)際上普遍應(yīng)用的無搖枕轉(zhuǎn)向架；自動(dòng)控制及列車自動(dòng)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)ATO（自動(dòng)駕駛模式）；即，列車啟動(dòng)、加速、運(yùn)行、惰行、制動(dòng)、精確停車、開門，均不需司機(jī)操作。列車上裝有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，建立列車通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)列車重要設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制和管理，具有旅客信息系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)。

地鐵車輛已全面國(guó)內(nèi)制造，B型車已全部由國(guó)內(nèi)企業(yè)自主設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和組裝，A型車也已開始國(guó)內(nèi)企業(yè)自行設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和組裝，國(guó)產(chǎn)化工作效果顯著，城市軌道交通機(jī)電技術(shù)設(shè)備已由上世紀(jì)90年代全面進(jìn)口到現(xiàn)在基本立足國(guó)內(nèi)。

4 結(jié)束語

BT2-8545軸承廣泛應(yīng)用于北京、上海、廣州、天津、大連、長(zhǎng)春、南京、重慶、武漢、深圳、杭州、成都、西安、蘇州、哈爾濱、沈陽等地；線路數(shù)62條，建設(shè)長(zhǎng)度1733.16km，有廣闊的發(fā)展空間。