高铁轴箱轴承试验机主体关键零部件的选型及分析

王健，苏冰，张金焕，韩涛，何峰涛

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2.洛阳轴研科技股份有限公司,河南 洛阳 471039；3.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；4.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

轴箱轴承作为高铁列车行驶、支承的关键部件，可靠性要求很高，保证其可靠性的一个主要思路是通过试验予以验证、分析及改进[1]。为对轴箱轴承的性能及可靠性进行测试评估，并积累试验数据，需要开发高铁轴箱轴承试验机。

试验主体是试验机的核心部分，也是整体设计的关键，直接影响试验机的工作特征和轴承试验的可靠性。因此，在满足基本功能的前提下，还需对试验主体的关键零部件进行特性分析，保障试验机的可靠运行。

1 设计参数

试验主体的设计需能够满足和提供装机试验轴承的所有试验条件，包括转速、载荷、润滑、冷却以及信号测试等，同时可根据不同型号轴承的试验条件更换相应的工装，具有一定的通用性，这些也是试验主体设计分析的参考依据。以某型号高铁轴箱轴承为例，其主要设计参数如下：轴承外形尺寸(d×D×B)为φ130 mm×φ230 mm×160 mm；常态试验转速2 350 r/min(时速350 km/h)，超转试验转速3 695 r/min (时速550 km/h)；径向载荷70.6 kN，轴向载荷±14.2 kN；风冷速度10 m/s；试验时间4 115 h(里程120万公里)；测试参数为转速、载荷、温度、振动、电流等。

2 结构原理

根据试验轴承参数，依据BS EN 12082—2007《铁路应用 轴箱 性能试验》，TB/T 3017—2001《机车车辆轴箱滚动轴承在轴箱试验机上的耐久试验方法》，试验机主体采用卧式双悬臂结构，主体结构如图1所示。

1—载荷传感器；2—电动机；3—皮带；4—主体底座；5—径向油缸；6—轴向油缸；7—试验轴承；8—支承轴承；9—主轴；10—压盖；11—支承衬套；12—轴箱衬套；13—振动传感器；14—温度传感器

试验机主体轴系安装于主体底座内，由主体压盖压紧固定；轴系单元的主轴由2组圆柱滚子轴承支承，轴端安装试验轴承和轴箱体，可同时试验2套轴承；试验轴承采用脂润滑，支承轴承采用油润滑；轴箱体水平方向安装轴向油缸对试验轴承施加交变的轴向力，竖直下方连接径向加载油缸施加径向力，加载力由传感器实时测试；试验主轴中段部位开有带轮槽，通过V带与驱动电动机相连，拖动轴系旋转；轴箱体和主体压盖上均开有测温、测振孔，安装温度和振动传感器实时监测试验轴承和支承轴承的温升、振动情况。

3 关键零部件分析及选型

主体底座与压盖、试验主轴、支承轴承是整个试验主体的核心关键件，因此设计时需对其工作特性和可靠性进行计算分析。

3.1 主体底座与压盖

如图2 所示，主体底座与压盖是试验主体的安装基础，主要用于安装、固定试验轴系单元，设计成剖分式结构便于拆装，加工时组合到一起镗内孔，以保证较高的安装同轴度。

图2 主体底座与压盖

底座与压盖的组合体主要承受试验加载时的压力作用，材料选用球墨铸铁QT450，许用压应力远远满足要求，因此设计时主要考虑底座与压盖在试验运行时的振动稳定性。借助SOLIDWORKS软件对主体底座与压盖进行有限元模态分析，结果见表1。由表可知，底座与压盖的1阶固有频率分别为503.06，489.54 Hz，均高于试验最高旋转频率61.58 Hz(3 695 r/min)，能够有效避开共振区，保证试验稳定运行。

表1 模态分析结果

3.2 试验主轴

试验主轴作为试验机旋转的核心部件，其结构设计、热处理工艺、加工精度、动平衡等级等均直接影响整个试验轴系的运行状态。

3.2.1 主轴结构

如图3所示，试验主轴采用与列车轮对实际车轴近似的结构，为实体阶梯轴，主要轴径面用于安装试验轴承和支承轴承，依靠轴肩、隔套、轴端压盖定位和锁紧。根据主轴工作条件及设计经验，主轴材料选用38CrMoAlA并进行氮化处理，使主轴的心部保持良好的韧性，而表面则具有高硬度、高耐磨性、抗疲劳性和热稳定性。

图3 试验主轴结构示意图

3.2.2 主轴受力分析

为适应试验轴承变载、变速的试验要求，试验主轴除了具有一定的尺寸精度要求外，还要对其进行强度、刚度的理论校核计算[2]。

主轴材料为38CrMoAlA，弹性模量E=207 GPa，密度ρ=7 710 kg/m3，泊松比为0.3，据此建立SOLIDWORKS有限元模型并网格化处理。在支承轴承支点处施加约束，在试验轴承位置施加70.6 kN的径向载荷及14.2 kN的轴向载荷，进行主轴的强度、刚度分析，结果如图4、图5所示。

图4 强度应力分析

图5 刚度变形分析

从图中可以看出，试验主轴的最大弯曲应力σca=66.31 MPa，小于38CrMoAlA材料的许用弯曲应力[3](75 MPa)，故试验主轴的强度满足要求；试验主轴的最大弯曲变形为0.145 mm，而对刚度要求较严的轴允许挠度为0.356 mm[3]，可知试验主轴刚度亦满足要求。

3.2.3 主轴1阶临界转速计算

主轴高速旋转时，由于材料组织不均匀或制造误差等原因，会产生周期性的离心干扰力，从而引起轴的振动，在1阶临界转速下，振动最激烈且最危险，因此，必须使主轴工作转速避开其临界转速。1阶临界转速计算公式为[3-4]

,(1)

式中：λ1为系数，λ1=12.8[4]；d为轴的直径，mm；W0为轴自重，N，对实心轴W0=60.5×10-6d2L;L为轴的全长，mm；l0为支承间距，mm；Wi为支承间第i个圆盘的重力，N；ai，bi分别为第i个圆盘至左右支承的距离，mm；Gj为外伸端第j个圆盘的重力，N；cj为外伸端第j个圆盘至支承的距离，mm。

计算得nc1=10 735 r/min，主轴工作转速应小于0.75nc1(即8 051 r/min)。而根据设计参数，该试验机最高工作转速为3 695 r/min，远低于其1阶临界转速，轴系不会产生共振现象，能够满足旋转稳定性要求。

3.3 支承轴承

支承轴承支承整个旋转轴系，并决定轴系的旋转精度和寿命，因此支承轴承的性能和寿命要优于试验轴承，才能保证试验机的正常运转。根据具体试验工况选取支承轴承的尺寸范围、转速、载荷，也是整个试验主体设计的关键。

根据试验工况可知，支承轴承内径需大于130 mm，极限转速应高于3 695 r/min，径向承载能力需大于70.6 kN，由于轴向载荷由试验轴承承受并相互抵消，因此对支承轴承的轴向承载能力可不做要求，但需具有轴向定位功能，防止轴系轴向窜动。同时，在350 km/h试验条件下，支承轴承的理论寿命应不低于4 115 h。

综合以上因素，选取2组某型号特制圆柱滚子轴承组作为支承，每组轴承的其中一套内圈带有单挡边，用于轴向定位，采用油润滑。支承轴承组结构如图6所示，主要技术参数见表2。由表可知，支承轴承组满足试验支承要求并具备裕量。

表2 支承轴承组参数

图6 支承轴承组结构示意图

4 结束语

根据具体试验条件，借助SOLIDWORKS软件建立了铁路轴箱轴承试验机关键零部件主轴、主体底座与压盖的模型，选择合适的支承轴承组，分析计算了试验主轴的刚度、强度、临界转速以及主体底座与压盖固有频率。试验机主体经安装、调试，运行平稳、工作可靠，各项指标均达到了设计要求，根据分析结果可进一步优化主体设计，提高试验主体指标参数，同时对解决试验机类似问题具有重要的参考价值。