地铁轴承的设计与应用

李锦红，孙晓梅，李建辉

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150036；2.哈尔滨轴承集团公司 进出口公司，黑龙江 哈尔滨 150036）

1 前言

2 两面带密封罩的双列圆锥滚子轴承的优化设计

两面带密封罩的双列圆锥滚子轴承用在地铁A型车上，下文采用优化设计方法对某双列圆锥滚子轴承的结构设计参数进行了计算。结果表明，通过优化轴承内部结构可以显著提高轴承的额定载荷，从而提高轴承的额定寿命。同时对地铁轴承的应用进行了阐述。轴承结构图见图1。

2.1 主参数的符号

图1 轴承结构

外滚道接触角 α

圆锥滚子半锥角 φ

滚子中心线与轴承中心线夹角 γ=α-φ

内圈锥角 β=α-2φ

滚子直径 Δ

滚子长度 l

外滚道小端直径 E

2.2 外圈计算公式

外滚道大端直径

D2=D1+2C*tg(α)

外圈打印中心径

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 内圈计算公式

内圈弧挡边曲率半径

ρ=0.5Δ/sin(φ)

内圈弧挡边厚度

a0=T+0.5D1/tg(α)-ρ*cos(β)

内圈滚道与弧挡边交点处直径

d1=2ρ*sin(β)

外圈滚道母线与滚子大端面交点直径

D3=2ρ*sin(α)

内圈滚道宽度

L=(l+εl)*cos(β)/cos(φ)

内圈小挡边厚度

a1=B-L-a0

滚子母线中点的垂线与轴线的交点至外圈宽端面距离

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

验算轴承装配高

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

必须保证 ΔT≤ 0.002

大挡边直径

d2=d1+Kd2*Δ

小挡边端面与内滚道母线的交点直径

d4=d1-2L*tg(β)

小挡边直径

d3=d4+Kd3*Δ

做成直端面时: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)

内圈打印中心径

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

打印面宽度

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

内圈最小有效壁厚

Sn=0.5[d1-2L*tg(β)-d]

Sn-Ksn*(D-d)≥0

验算内、外套圈最小有效壁厚差G

2.4 外圈最小有效壁厚计算公式

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

验算圆锥滚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 检查滚子及检查直径的计算公式

检查滚子长度

lj=lb-0.15

ox1=ρ+0.5(lb-ln)

检查滚子大端直径

Δj=2(ox1-0.15)tg(φ)

检查滚子小端直径

Δj1=2(ox1-lb)tg(φ)

Cj=0.5Δj

Cj1=0.5Δj1

检查滚子外接圆直径

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

cosec(θ1)

检查滚子内接圆直径

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

2.6 额定载荷计算公式

滚子平均直径

Δm=Δ-l*tg(φ)

滚子有效长度

lu=0.94*l

滚子节圆直径

Dm=d1+Δ*cos(γ)-l*sin(γ)

γ0=Δm*cos(α)/Dm

额定动负荷

Ca=1.1*fc[i*lu*cos(α)]ZΔ

额定静负荷

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

2.7 滚子计算公式

滚子小头直径

Δ1=Δ-2 l*tg(φ)

大端凹穴直径

Δp=Δ-(d2-d1)sec(γ)+2*r8并查表取值

滚子大端面球基面半径

ρr=0.95ρ

圆锥滚子半凸度尺寸计算如下

弧坡宽度

lco=0.12 lu

滚子大端处到滚子母线直线部分的宽度

lc'=lco+c

滚子小端处到滚子母线直线部分的宽度

lc1'=lco+c1

lc',lc1'的允差为+0.04 lu

滚子母线直线部分的宽度

l1=l-lc'-lc1'

弧坡高度(半凸度量)

δmax=0.1*lu*tg(0°20')

δmin=0.7δmax

弧坡的曲率半径

2.8 保持架采用塑钢尼龙材料的筐形架

3 地铁轴承的应用

（1）BT2-8545产品结构（见图1）采用一侧轻接触橡胶密封圈，一侧带传感器的防尘盖密封的双列圆锥滚子轴承，其内、外滚道及滚子表面圆弧凸度，用于减少应力集中，延长疲劳寿命，消除边缘应力效应，凸度值为：0.011～0.015；保持架结构是国际最新结构，材料采用PA66-GF25-JB/T7048增强尼龙；这种材质摩擦系数小，噪声低、能自润滑。技术性能：载荷:Cr=868kN,C0r=1598kN,转速120km/h，使用温度不超过50°C，扭矩不得小于122.5N·m城市轨道交通进入史无前例快速发展阶段，仅北京、天津建成42公里，到2006年底15个城市建585km,在建20条线路603公里，目前经国家批准21个城市在今后10年左右将建设62条线路17000多公里，总投资6200多亿。中国机车车辆制造业是世界各国中生产规模最大，加工设备最先进的企业，每年出口机车车辆及配件约5亿美元，中国南车集团公司和中国北车集团公司是中国机车车辆制造业的核心。开发机车车辆用轴承刻不容缓，势在必行。

（2）轨道交通技术装备是城轨系统技术水平的标志，涉及机械、电气、电子、自动化、材料科学等多个领域。技术装备种类繁多、涉及面广，既有移动设备，又有固定设备，涵盖了车辆、供电、信号、通信、自动售票、通风、空调采暖、防灾与报警、环保、设备监控、行车综合监控等各种机电和自动化设备。这些设备的技术参数必须合理匹配，使城市轨道交通系统的建设和运营实现高速度、高效益、高效率。21世纪中国轨道交通发展由中国铁路向中国轨道交通全面发展；中国轨道交通由干线铁路网、地区铁路网、城市轨道交通网三部分组成，干线铁路网发展规划已经国务院通过，至2020年达10万公里，其中新建客运专线7100公里。其中京沪、京广、京哈、陇海均建时速300km/h的高速铁路，地区网是中国铁路建设的空白，是和发达国家铁路相比最主要的差距。

城市轨道交通发展现状及趋势；1965-1995年仅北京、天津建成42公里，1995-2006年底全国15个城市共建585km;郊区铁路（市域快线）开始发展津滨线、大连3号线（火车站-金石滩），上海9号线、上海11号线郊区段；使用最广泛的具有自动驾驶性能的地铁A、B型车辆，跨座式单轨线路车辆、线性电机车辆、轮胎式自动导向车辆、轻轨线路低地板车辆。运营最大客运量单向4.5-7.5万人次/小时，车辆定员310人/m2，最大运行速度120km/h，列车控制方式：ATC（具有自动驾驶性能、ATC信息系统）

建设上海1号线和广州1号线地铁开始，广泛采用各国最新技术装备，建成了具有一流水平的城轨交通系统。

（3）车辆-转向架，A型车和B型车均采用国际上普遍应用的无摇枕转向架；自动控制及列车自动监控，可实现ATO（自动驾驶模式）；即，列车启动、加速、运行、惰行、制动、精确停车、开门，均不需司机操作。列车上装有自动监控系统，建立列车通信网络，对列车重要设备实现监视、控制和管理，具有旅客信息系统和故障诊断系统。

地铁车辆已全面国内制造，B型车已全部由国内企业自主设计、系统集成和组装，A型车也已开始国内企业自行设计、系统集成和组装，国产化工作效果显著，城市轨道交通机电技术设备已由上世纪90年代全面进口到现在基本立足国内。

4 结束语

BT2-8545轴承广泛应用于北京、上海、广州、天津、大连、长春、南京、重庆、武汉、深圳、杭州、成都、西安、苏州、哈尔滨、沈阳等地；线路数62条，建设长度1733.16km，有广阔的发展空间。