高鐵軸箱軸承試驗(yàn)機(jī)主體關(guān)鍵零部件的選型及分析

王健，蘇冰，張金煥，韓濤，何峰濤

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；4.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

軸箱軸承作為高鐵列車行駛、支承的關(guān)鍵部件，可靠性要求很高，保證其可靠性的一個(gè)主要思路是通過試驗(yàn)予以驗(yàn)證、分析及改進(jìn)[1]。為對(duì)軸箱軸承的性能及可靠性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，并積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要開發(fā)高鐵軸箱軸承試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)主體是試驗(yàn)機(jī)的核心部分，也是整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響試驗(yàn)機(jī)的工作特征和軸承試驗(yàn)的可靠性。因此，在滿足基本功能的前提下，還需對(duì)試驗(yàn)主體的關(guān)鍵零部件進(jìn)行特性分析，保障試驗(yàn)機(jī)的可靠運(yùn)行。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)主體的設(shè)計(jì)需能夠滿足和提供裝機(jī)試驗(yàn)軸承的所有試驗(yàn)條件，包括轉(zhuǎn)速、載荷、潤(rùn)滑、冷卻以及信號(hào)測(cè)試等，同時(shí)可根據(jù)不同型號(hào)軸承的試驗(yàn)條件更換相應(yīng)的工裝，具有一定的通用性，這些也是試驗(yàn)主體設(shè)計(jì)分析的參考依據(jù)。以某型號(hào)高鐵軸箱軸承為例，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：軸承外形尺寸(d×D×B)為φ130 mm×φ230 mm×160 mm；常態(tài)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速2 350 r/min(時(shí)速350 km/h)，超轉(zhuǎn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速3 695 r/min (時(shí)速550 km/h)；徑向載荷70.6 kN，軸向載荷±14.2 kN；風(fēng)冷速度10 m/s；試驗(yàn)時(shí)間4 115 h(里程120萬(wàn)公里)；測(cè)試參數(shù)為轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、振動(dòng)、電流等。

2 結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)試驗(yàn)軸承參數(shù)，依據(jù)BS EN 12082—2007《鐵路應(yīng)用 軸箱 性能試驗(yàn)》，TB/T 3017—2001《機(jī)車車輛軸箱滾動(dòng)軸承在軸箱試驗(yàn)機(jī)上的耐久試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)機(jī)主體采用臥式雙懸臂結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—載荷傳感器；2—電動(dòng)機(jī)；3—皮帶；4—主體底座；5—徑向油缸；6—軸向油缸；7—試驗(yàn)軸承；8—支承軸承；9—主軸；10—壓蓋；11—支承襯套；12—軸箱襯套；13—振動(dòng)傳感器；14—溫度傳感器

試驗(yàn)機(jī)主體軸系安裝于主體底座內(nèi)，由主體壓蓋壓緊固定；軸系單元的主軸由2組圓柱滾子軸承支承，軸端安裝試驗(yàn)軸承和軸箱體，可同時(shí)試驗(yàn)2套軸承；試驗(yàn)軸承采用脂潤(rùn)滑，支承軸承采用油潤(rùn)滑；軸箱體水平方向安裝軸向油缸對(duì)試驗(yàn)軸承施加交變的軸向力，豎直下方連接徑向加載油缸施加徑向力，加載力由傳感器實(shí)時(shí)測(cè)試；試驗(yàn)主軸中段部位開有帶輪槽，通過V帶與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連，拖動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)；軸箱體和主體壓蓋上均開有測(cè)溫、測(cè)振孔，安裝溫度和振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸承和支承軸承的溫升、振動(dòng)情況。

3 關(guān)鍵零部件分析及選型

主體底座與壓蓋、試驗(yàn)主軸、支承軸承是整個(gè)試驗(yàn)主體的核心關(guān)鍵件，因此設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)其工作特性和可靠性進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 主體底座與壓蓋

如圖2 所示，主體底座與壓蓋是試驗(yàn)主體的安裝基礎(chǔ)，主要用于安裝、固定試驗(yàn)軸系單元，設(shè)計(jì)成剖分式結(jié)構(gòu)便于拆裝，加工時(shí)組合到一起鏜內(nèi)孔，以保證較高的安裝同軸度。

圖2 主體底座與壓蓋

底座與壓蓋的組合體主要承受試驗(yàn)加載時(shí)的壓力作用，材料選用球墨鑄鐵QT450，許用壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮底座與壓蓋在試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)穩(wěn)定性。借助SOLIDWORKS軟件對(duì)主體底座與壓蓋進(jìn)行有限元模態(tài)分析，結(jié)果見表1。由表可知，底座與壓蓋的1階固有頻率分別為503.06，489.54 Hz，均高于試驗(yàn)最高旋轉(zhuǎn)頻率61.58 Hz(3 695 r/min)，能夠有效避開共振區(qū)，保證試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

3.2 試驗(yàn)主軸

試驗(yàn)主軸作為試驗(yàn)機(jī)旋轉(zhuǎn)的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理工藝、加工精度、動(dòng)平衡等級(jí)等均直接影響整個(gè)試驗(yàn)軸系的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1 主軸結(jié)構(gòu)

如圖3所示，試驗(yàn)主軸采用與列車輪對(duì)實(shí)際車軸近似的結(jié)構(gòu)，為實(shí)體階梯軸，主要軸徑面用于安裝試驗(yàn)軸承和支承軸承，依靠軸肩、隔套、軸端壓蓋定位和鎖緊。根據(jù)主軸工作條件及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主軸材料選用38CrMoAlA并進(jìn)行氮化處理，使主軸的心部保持良好的韌性，而表面則具有高硬度、高耐磨性、抗疲勞性和熱穩(wěn)定性。

圖3 試驗(yàn)主軸結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 主軸受力分析

為適應(yīng)試驗(yàn)軸承變載、變速的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)主軸除了具有一定的尺寸精度要求外，還要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的理論校核計(jì)算[2]。

主軸材料為38CrMoAlA，彈性模量E=207 GPa，密度ρ=7 710 kg/m3，泊松比為0.3，據(jù)此建立SOLIDWORKS有限元模型并網(wǎng)格化處理。在支承軸承支點(diǎn)處施加約束，在試驗(yàn)軸承位置施加70.6 kN的徑向載荷及14.2 kN的軸向載荷，進(jìn)行主軸的強(qiáng)度、剛度分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 強(qiáng)度應(yīng)力分析

圖5 剛度變形分析

從圖中可以看出，試驗(yàn)主軸的最大彎曲應(yīng)力σca=66.31 MPa，小于38CrMoAlA材料的許用彎曲應(yīng)力[3](75 MPa)，故試驗(yàn)主軸的強(qiáng)度滿足要求；試驗(yàn)主軸的最大彎曲變形為0.145 mm，而對(duì)剛度要求較嚴(yán)的軸允許撓度為0.356 mm[3]，可知試驗(yàn)主軸剛度亦滿足要求。

3.2.3 主軸1階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于材料組織不均勻或制造誤差等原因，會(huì)產(chǎn)生周期性的離心干擾力，從而引起軸的振動(dòng)，在1階臨界轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)最激烈且最危險(xiǎn)，因此，必須使主軸工作轉(zhuǎn)速避開其臨界轉(zhuǎn)速。1階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為[3-4]

,(1)

式中：λ1為系數(shù)，λ1=12.8[4]；d為軸的直徑，mm；W0為軸自重，N，對(duì)實(shí)心軸W0=60.5×10-6d2L;L為軸的全長(zhǎng)，mm；l0為支承間距，mm；Wi為支承間第i個(gè)圓盤的重力，N；ai，bi分別為第i個(gè)圓盤至左右支承的距離，mm；Gj為外伸端第j個(gè)圓盤的重力，N；cj為外伸端第j個(gè)圓盤至支承的距離，mm。

計(jì)算得nc1=10 735 r/min，主軸工作轉(zhuǎn)速應(yīng)小于0.75nc1(即8 051 r/min)。而根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，該試驗(yàn)機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速為3 695 r/min，遠(yuǎn)低于其1階臨界轉(zhuǎn)速，軸系不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，能夠滿足旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求。

3.3 支承軸承

支承軸承支承整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸系，并決定軸系的旋轉(zhuǎn)精度和壽命，因此支承軸承的性能和壽命要優(yōu)于試驗(yàn)軸承，才能保證試驗(yàn)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)具體試驗(yàn)工況選取支承軸承的尺寸范圍、轉(zhuǎn)速、載荷，也是整個(gè)試驗(yàn)主體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

根據(jù)試驗(yàn)工況可知，支承軸承內(nèi)徑需大于130 mm，極限轉(zhuǎn)速應(yīng)高于3 695 r/min，徑向承載能力需大于70.6 kN，由于軸向載荷由試驗(yàn)軸承承受并相互抵消，因此對(duì)支承軸承的軸向承載能力可不做要求，但需具有軸向定位功能，防止軸系軸向竄動(dòng)。同時(shí)，在350 km/h試驗(yàn)條件下，支承軸承的理論壽命應(yīng)不低于4 115 h。

綜合以上因素，選取2組某型號(hào)特制圓柱滾子軸承組作為支承，每組軸承的其中一套內(nèi)圈帶有單擋邊，用于軸向定位，采用油潤(rùn)滑。支承軸承組結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要技術(shù)參數(shù)見表2。由表可知，支承軸承組滿足試驗(yàn)支承要求并具備裕量。

表2 支承軸承組參數(shù)

圖6 支承軸承組結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)具體試驗(yàn)條件，借助SOLIDWORKS軟件建立了鐵路軸箱軸承試驗(yàn)機(jī)關(guān)鍵零部件主軸、主體底座與壓蓋的模型，選擇合適的支承軸承組，分析計(jì)算了試驗(yàn)主軸的剛度、強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速以及主體底座與壓蓋固有頻率。試驗(yàn)機(jī)主體經(jīng)安裝、調(diào)試，運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，根據(jù)分析結(jié)果可進(jìn)一步優(yōu)化主體設(shè)計(jì)，提高試驗(yàn)主體指標(biāo)參數(shù)，同時(shí)對(duì)解決試驗(yàn)機(jī)類似問題具有重要的參考價(jià)值。