大軸重鐵路貨車軸承選型與設計

宋世勇，崔傳榮，頓麗華

大軸重鐵路貨車軸承選型與設計

宋世勇，崔傳榮，頓麗華

（瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧 瓦房店 116300）

根據重載貨運需求，借鑒既有鐵路貨車軸承成功使用的經驗，進行了重載鐵路貨車軸承選型、設計及維護的研究，通過優化設計、仿真分析及綜合試驗等手段，實現了重載鐵路貨車軸承的合理設計，滿足了重載鐵路貨車的使用要求。

重載鐵路貨車軸承；微觀結構設計；接觸應力；塑料保持架；整體式輕接觸迷宮密封

1　前言

當前，世界各國鐵路發展呈現著“客運高速”和“貨運重載”兩大趨勢，也就是說世界鐵路向客運高速化和貨運重載化方向發展。因為我國的鐵路貨運的速度、密度已經趨于飽和，提高鐵路貨運能力也主要靠提高載重來實現，研制大軸重貨車則是我國鐵路貨運的發展方向。

軸承是鐵路貨車的關鍵零件之一。軸承支撐著車體的質量和載荷，是車輛穩定高速運行的基本保障。軸承是高速旋轉的部件，軸承故障不僅會引起軸承的損傷，而且會危及列車的安全運行，因此需要對大軸重鐵路貨車軸承的選型、設計、運行維護的各個環節開展深入分析研究，預防故障的發生。

2　軸承選型

我國鐵路貨車軸承采用無軸箱應用形式，軸承通過承載鞍與轉向架（見圖 1）相連，承受整個車體重量，軸承載荷除了車體重量外，還需承受來自鋼軌的沖擊載荷和轉彎時的軸向載荷，因此軸承在選型時，除了要考慮軸承能夠承受較大的載荷外，還要滿足一定的耐沖擊載荷和軸向載荷。當前，國際上使用的軸承類型主要是載荷容量較大的圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承。

圓柱滾子軸承徑向承載能力較大，通過結構優化，也能承受一定的軸向載荷。圓錐滾子軸承既具有較大的徑向承載能力，也具有較大的軸向承載能力，更適合我國的鐵路線路工況，目前我國的鐵路貨運列車軸承主要采用圓錐滾子結構。考慮到軸承的低成本化和使用維修周期長，根據圓錐滾子軸承承載特點及我國既有鐵路貨車軸承應用情況，大軸重鐵路貨車軸承采用自密封的圓錐滾子軸承。

圖1　重載貨車轉向架

3　軸承設計

3.1軸承主參數選擇

軸承設計主參數優化的重要問題是確定優化原則，即以軸承具有最長疲勞壽命為目標。根據軸承壽命方程可知，在軸承承載條件一定時，軸承的基本額定動載荷Cr越大，軸承疲勞壽命越長。根據國際ISO281標準，軸承額定動載荷與以下參數有關：

Cr=bmfc（iLwecosα）7/9Z3/4Dwe29/27（N）

上述公式是以Cr為單一目標的多變量函數，考慮鐵路貨車軸承徑向承載力較大，軸向承載力相對小的特點，軸承的接觸角一般選擇10°即能滿足軸向承載要求，在此條件下，影響Cr的變量主要為滾子直徑尺寸、滾子長度尺寸及滾子個數。

重載鐵路貨車軸承的主要設計思想是軸承的整體結構合理，根據參數變量對Cr的影響大小進行參數選取，其中滾子直徑影響大于滾子長度，滾子個數影響最小，因此在保證內外圈最小壁厚、內外圈剛度及強度滿足要求的情況下，選擇大尺寸的滾子直徑，長度選取應保證軸承大小擋邊具備足夠的強度，滾子個數可以相對減少。

3.2軸承微觀結構設計

3.2.1滾子球基面與內圈大擋邊設計

滾子球基面半徑根據計算半徑的80～90%進行圓整，軸承內圈大擋邊采用斜擋邊，根據圓整后的球基面半徑確定擋邊的角度，使球基面在斜擋邊的中部接觸。該結構可有效形成流體潤滑油膜，改善滾子球基面與擋邊之間的潤滑狀態，降低滑動摩擦及運轉溫升，減少滑動磨損，提高軸承的運轉可靠性。

3.2.2滾子與套圈滾道表面設計

在鐵路貨車軸承應用設計中，套圈滾道一般采用微凸度設計，滾子母線則采用對數曲線修形。該結構設計可實現軸承在重載工況下，工作表面的接觸應力均勻，防止軸承因出現邊緣應力造成軸承早期疲勞失效。滾子母線的對數曲線方程是根據軸承的承載情況，對承載載荷最大的滾子進行計算，保證滾子承載接觸應力均勻，在承受軸向力時，其承載接觸應力也接近均勻分布，見圖 2。

圖2　不同修形滾子的承載應力

3.3保持架設計

大軸重鐵路貨車軸承保持架采用玻璃纖維強化的聚酰胺材料，該保持架具有重量輕、耐腐蝕、自潤滑、低噪音及良好的工藝性能等優點，目前在軌道交通軸承上廣泛應用。

雖然塑料保持架在應用上有許多優點，但在設計時需要充分考慮保持架的窗梁強度，以保證軸承能夠滿足使用要求。該軸承在設計時，在保證軸承整體結構合理情況下，通過對選擇不同滾子參數軸承的保持架進行仿真分析及試驗，確定軸承的最佳設計參數，見圖 3、圖 4。

3.3.1保持架窗梁沖擊性能試驗

將保持架窗梁樣塊在夏比沖擊試驗機上做窗梁沖擊強度試驗，試驗結果見表 1。

3.3.2保持架拉伸強度試驗

圖3　保持架窗梁強度分析

圖4　保持架窗梁沖擊性能試驗

采用電子萬能試驗機施力到保持架鄰近的兩個窗梁上，保持架持續受載至斷裂為止，變形速度為5mm/min，導致斷裂的力即為保持架拉伸強度。試驗分直拉伸試驗和斜拉伸試驗，試驗情況見圖 5 和表 2。

表 1　保持架沖擊強度試驗結果/J

圖5　保持架拉伸強度試驗

表 2　保持架拉伸強度試驗結果/N

根據分析及試驗結果，在保證軸承承載能力情況下，選擇保持架窗梁強度最高的方案，提高軸承的運行可靠性。

3.4密封設計

早期鐵路無軸箱軸承密封采用的是密封橡膠與密封座組成的接觸式密封系統（見圖 6）。為確保密封性能，該密封在主密封唇上置入彈簧，在應用過程中，由于密封圈壓緊力大，造成軸承在高速運轉時的摩擦發熱量大，軸承運轉溫升高，容易因橡膠老化造成密封失效，使軸承的維護周期縮短。

圖6　軸承密封結構

隨著鐵路貨車軸承技術發展與創新，軸承的密封系統已得到了較大的改進，目前有迷宮式密封、組合式密封、整體式輕接觸迷宮密封等結構，見圖 6，其中迷宮式密封是與密封座組成密封系統，軸承軸向占用空間大，不利于重載軸承承載。組合式密封要求軸承附件加工精度高，工藝性較差，而本軸承采用的整體輕接觸迷宮密封裝置取消了密封座，縮短了軸承軸向尺寸，減小橡膠主唇口的壓緊力，降低了摩擦發熱，延長了密封橡膠壽命，延長了軸承維護周期。同時，通過增加迷宮結構，實現了比傳統型密封更優的密封性能。通過軸承試驗驗證，新結構密封與傳統型密封相比，能降低使用溫度20℃左右。

4　運行維護

軸承的安裝與運行維護在鐵路總公司關于《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規則》中已做了詳細規定，完全可以滿足重載貨車軸承的需要。為了方便軸承的安裝、拆卸及檢修維護，大軸重鐵路貨車軸承在實現整體冷壓裝及拆卸的基礎上，軸承密封罩端面設置了三個拆卸孔，其中用橡膠填充，在軸承拆解時，可通過專用工裝直接將密封與軸承拆解開，方便了軸承檢修與維護。

5　結束語

通過對大軸重鐵路貨車軸承的設計研究，不僅實現了為重載鐵路貨車配套，實現重載運輸，而且構建了重載鐵路貨車軸承的研發平臺，為后續更大軸重鐵路貨車軸承研發提供良好的經驗和技術基礎。

（編輯：鐘媛）

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，高級工程師.