動車組牽引電機軸承載荷分析

張超

【摘? 要】在牽引電機軸承轉動期間，軸承游隙會由于機械負載而變化。當軸承具有正游隙時，牽引電機的轉子將不再協(xié)作。活動量的增加會引起偏心，在牽引電機的偏心工作狀態(tài)下，會產生偏心方向上不平衡的磁拉力，它將直接作用在軸承的內圈上，這將大大增加軸承的實際載荷。

【關鍵詞】牽引電機、軸承載荷、軌道車輛

引言

動車組牽引電機軸承是在電機機械傳動過程中固定并減小負載摩擦系數的組件。其主要功能是支撐電機的轉子，以減小牽引電機在傳輸過程中的機械負載摩擦系數。本文研究了動車組牽引電機的軸承載荷。

1.牽引電機軸承概述

牽引電機軸承的結構通常在驅動端使用深溝球軸承，在非驅動端使用圓柱滾子軸承。在軸承設計中，通常在滾動元件與內圈和外圈之間的接觸空間中留有一定的余量，即軸承游隙。軸承游隙的存在是確保電機平穩(wěn)運行的重要保證。軸承游隙分為正游隙和負游隙。當軸承游隙改變時，滾動體與滾道之間的接觸角將相應地改變，這會影響滾動體的運動。同時，游隙還會改變軸承在負載下的載荷分布、應力分布、接觸變形等，從而導致軸承的疲勞壽命發(fā)生變化。同時，徑向游隙也是軸承維護期間相對容易測量的參數。使用徑向游隙來預測軸承的壽命是一種在實際應用中評估軸承狀態(tài)的簡單可行的方法。

牽引電機和軸承是機電組合，并且軸承的工作狀態(tài)的改變將不可避免地引起電機的工作狀態(tài)的改變。如圖1所示，由于軸承的內圈和轉子軸緊密同軸地接合，因此軸承徑向游隙的增加不僅會改變軸承的內部載荷分布，還會引起牽引力電機轉子偏離定子中心軸而變得偏心現象。牽引電機的偏心轉子產生的電磁力將直接作為載荷作用在軸承上，這不可避免地會影響軸承的疲勞壽命。偏心磁力會導致轉子變形，嚴重時會發(fā)生掃氣現象。同時，偏心磁力會增加軸承的磨損，從而進一步增加游隙并同時增加偏心率。因此，當牽引電機的軸承的游隙發(fā)生變化時，其壽命分析應綜合考慮軸承自身載荷的分布以及牽引電機的電磁力的影響。

2.牽引電機軸承載荷分析

動車組牽引電機軸承在復雜的行駛環(huán)境中工作，牽引電機頻繁啟動和停止。因此，牽引電機軸承要承受不同類型的載荷。在正常的無偏狀態(tài)下，軸承內圈也將承受軸承內圈和軸伸部相互穿透時產生的預緊力，軸伸部自身的重力以及在軸承旋轉過程中滾子產生的離心力。偏心磁張力將導致軸承承受額外的載荷。通過將這些載荷疊加在一起，可以獲得軸承壽命預測所需的綜合載荷。

2.1徑向集中載荷分析

（1）軸承內圈預緊力

牽引電機轉子的重量不能滿足軸承所需的最小負荷。為了確保軸承內圈和轉子軸的正常嚙合，在安裝軸承時需要過盈組件。此時，軸承內圈受到徑向預緊力。圓柱軸承的最小徑向載荷計算公式為

其中，是最小負荷系數，n是轉速，是參考轉速;是軸承節(jié)圓直徑。

其中d和D分別為軸承內外直徑。由此計算牽引電機軸承內圈所受預緊力。

（2）軸承滾動體離心力

在軸承轉動過程中，軸承滾動體會受到慣性離心力，每個滾動體產生的離心力為：

其中，是滾子直徑（mm）;是滾子的公轉速度、保持架速度，r/min;是滾動體中心所在直徑（mm）。

（3）軸伸重力

軸伸的重力是根據轉子軸伸的體積和與電機相對應的材料密度來計算的。在軸承工作條件下，預載徑向載荷，滾動元件的離心力，軸伸重力和牽引電機的偏心載荷的組合載荷將用作實際的徑向集中載荷，如圖2所示。

2.2 雙軸承系統(tǒng)載荷分布分析

上面的偏心載荷分析是一個單軸承系統(tǒng)，實際的牽引電機使用一個雙軸承系統(tǒng)。

動車組牽引電機通常在驅動端使用深溝球軸承，在非驅動端使用圓柱滾子軸承。對于雙軸承系統(tǒng)，需要考慮兩個軸承上徑向集中載荷的分布。由于兩端軸承的工作條件不同，游隙測量量可能會有所不同。當兩端的軸承的偏心率不同時，牽引電機將不僅具有轉子的徑向偏心率，而且具有軸向的偏心率。從以上推導中可以知道，轉子徑向截面微元件所承受的單向磁拉力與偏心率近似線性，軸向偏心率與軸向距離近似線性。因此，徑向集中載荷不再在軸向上均勻分布，而是軸向距離的函數，如圖3所示。

2.3軸承游隙對徑向載荷分布的影響

在運行過程中，位于不同位置的軸承的滾動元件上的負載不相等。滾動元件的最大載荷直接影響軸承的疲勞壽命。疲勞壽命隨著最大負載的增加而降低。因此，任何影響載荷分布的參數都將間接影響軸承的疲勞壽命。徑向游隙是參數之一。游隙的變化將使每個滾子的負載發(fā)生變化，從而影響軸承壽命。

當不滿足位置角條件時，滾動體被卸荷，在內外滾道接觸處的等效動載荷為0。由上述分析可知，徑向軸承中滾動體的載荷不是恒定的，但與軸承游隙有關。軸承游隙的大小直接影響內部載荷區(qū)域的大小。當軸承游隙在運行過程中發(fā)生變化時，由于機械載荷的變化，不同滾動體和滾道之間的接觸部件的疲勞壽命也會發(fā)生變化，如圖4所示。當游隙和載荷已知時，以上公式最終獲得軸承內外滾道的等效動載荷分布。基于此，將計算出牽引電機的徑向軸承的疲勞壽命。

3.結論

本文分析了滾動軸承出現游隙時，牽引電機對軸承所受工況載荷的影響。正游隙的出現使得轉子部件自由活動量增加，牽引電機出現轉子偏心的現象。偏心后的單邊磁拉力將與軸承所受額定載荷一起形成滾動軸承所受的聯(lián)合載荷。

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