CN108223574A - 一种高速列车径向超声悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速列车径向超声悬浮轴承，包括压电换能器、轴承箱、弹簧组件和减振组件；压电换能器包括变幅杆、前盖板、绝缘套筒、后盖板和预应力螺栓；轴承箱包括两个八边形箱体和一个由T形架与空心圆柱体组合在一起的组合体；减振组件包括垂向油压减振器、减振器螺栓和减振器螺母；弹簧组件由外簧和内簧构成的双重弹簧组成。本发明能够利用超声振动的减摩特性减小轴间摩擦，降低运行过程中产生的摩擦热，其极限转速、精度和使用寿命等方面均优于目前列车所使用的双列圆锥滚子轴承。轴承检修方便、更换成本低。本发明对环境适应性强，在列车运行过程中不受电磁干扰，也无需使用液压、气压、磁悬浮等轴承技术所需要的大量的辅助设备。
Description
技术领域
本发明属于高速列车轴承技术领域，特别是一种高速列车径向超声悬浮轴承。
背景技术
轴承是机械设备的重要零部件，当前高速列车普遍采用的是双列圆锥滚子轴承，虽然在高速情况下具有较长的使用寿命，但仍规避不开高速列车长时间行驶过程中产生大量的摩擦热对轴承造成磨损，这就需要相关技术人员时常对列车轴承进行安全检测和更换，且我国高速列车使用的轴承绝大部分依靠进口，需要很多的成本投入。
应用超声波悬浮减摩技术的超声悬浮轴承是近年来提出的一种新型非接触轴承。查阅文献了解到，一些学者研究设计了超声波推力轴承、双向支撑超声波悬浮轴承、径向与轴向支撑的超声波悬浮轴承和采用三瓣式组合对称结构的径向悬浮轴承等多种类型的超声悬浮轴承，对这些超声悬浮轴承的承载能力和减摩特性进行了测试，结果证明：一方面端面为凹柱面或圆柱平面的压电换能器在工作中，其面上的各点作等幅同相的超声振动；另一方面也实现超声悬浮轴承对高速轴系的稳定悬浮支撑和减摩效果。超声轴承还具有结构简单、成本低、适应强、无电磁干扰等优点。
上述研究都是在小尺寸轴的基础上对超声悬浮轴承进行的研究，且都证明了超声悬浮轴承确实能够减小轴系间的摩擦。但目前该项技术还没有应用到实际的高速列车上。
发明内容
为了在不影响高速列车正常行驶的情况下，将超声悬浮轴承应用到高速列车领域，实现降低列车轴系间摩擦的目的，延长轴承的使用寿命。本发明要设计一种高速列车径向超声悬浮轴承，以代替当前高速列车所使用的双列圆锥滚子轴承。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高速列车径向超声悬浮轴承，包括压电换能器、轴承箱、弹簧组件和减振组件；
所述的压电换能器包括变幅杆、前盖板、绝缘套筒、后盖板和预应力螺栓；
所述的变幅杆的前端面为圆形平面、后端面为内凹圆弧面；变幅杆的前端通过螺柱与前盖板连接；前盖板的后端带有法兰盘，所述的预应力螺栓穿过后盖板、陶瓷电极组件后与前盖板连接；所述的法兰盘上均布四个轴向通孔；所述的绝缘套筒嵌套在预应力螺栓上，所述的陶瓷电极组件嵌套在绝缘套筒上；所述的陶瓷电极组件由五个电极和四个压电陶瓷征间隔串联组成；所述的压电陶瓷片为圆柱环体；
所述的轴承箱包括两个八边形箱体和一个由T形架与空心圆柱体组合在一起的组合体，两个八边形箱体之间通过组合体连接在一起；所述的组合体上设置转臂，所述的转臂一端固定在组合体上、另一端与高速列车动车转向架的定位装置连接；
每个八边形箱体上从前端面中心处到后端面中心处贯穿一圆柱通孔用于车轴穿过，在八边形箱体的侧面均布7个阶梯孔用于沿周向安装7个压电换能器；每个八边形箱体的圆柱通孔内设置一个整体式轴瓦；所述的整体式轴瓦包括轴瓦钢背和轴瓦轴衬，轴瓦钢背通过轴瓦轴衬与车轴连接；所述的压电换能器的前端面与轴瓦钢背配合；所述的压电换能器通过法兰和螺栓固定在八边形箱体上。在轴承箱左端下方安置一个筋板，用于垂向油压减振器的安装，筋板与每个八边形箱体左端下方的圆弧面相连；一个带有螺纹孔的圆柱连接在轴承箱的上端面上，用于弹簧组件的定位安装；
所述的减振组件包括垂向油压减振器、减振器螺栓和减振器螺母，所述的垂向油压减振器通过减振器螺栓和减振器螺母安装在轴承箱一端的筋板；
所述的弹簧组件由外簧和内簧构成的双重弹簧组成，包括弹簧座上、外圆弹簧、内圆弹簧、弹簧座立柱、弹簧座下、防振橡胶垫、弹簧座紧固帽，所述的弹簧座立柱的粗端螺纹安装在轴承箱的圆柱螺纹孔内，所述的防振橡胶垫、弹簧座下、内圆弹簧、外圆弹簧、弹簧座上由下而上嵌套在弹簧座立柱上，弹簧座紧固帽安装在弹簧座立柱细端螺纹上。
进一步地，所述的转臂上设置转臂盖，所述的转臂盖通过4组转臂紧固双头螺杆和盖形螺母与转臂连接。
进一步地，所述的预应力螺栓、后盖板、前盖板和变幅杆的轴线共线。
进一步地，所述的八边形箱体与转臂为整体结构，通过铸造方法制造而成。
进一步地，所述的八边形箱体的每个阶梯孔的阶梯面上沿周向均布4个螺纹孔，所述的压电换能器通过换能器紧固螺栓穿过法兰上的4个轴向通孔安装在八面形箱体内。
进一步地，所述的压电换能器的后端设置网盖，所述的网盖通过网盖螺栓安装在八边形箱体上。
进一步地，所述的轴承箱前后两侧分别通过箱盖螺栓安装轴承箱前盖和轴承箱后盖。
进一步地，所述的定位装置为高速列车上的橡胶弹性定位节点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够利用超声振动的减摩特性减小轴间摩擦，降低运行过程中产生的摩擦热，其极限转速、精度和使用寿命等方面均优于目前列车所使用的双列圆锥滚子轴承。轴承检修方便、更换成本低。
2、本发明对环境适应性强，在列车运行过程中不受电磁干扰，也无需使用液压、气压、磁悬浮等轴承技术所需要的大量的辅助设备。
3、本发明的轴承箱的定位方式采用转臂式定位，该定位方式具有以下几个特点：①便于轴承箱定位刚度的选择，能够同时兼顾高速运行的稳定性、乘坐舒适度及曲线通过性能；②部件数量少，实现轻量化；③便于轴承箱定位装置的分解和组装；④无滑动部分，免维护。本发明的定位方式可以提供轮对轴承箱装置的纵向、横向定位刚度。
附图说明
图1为超声悬浮轴承的结构示意图。
图2为图1的C-C剖面的正视图。
图3为图1的A-A剖面的正视图。
图4为图2的B-B剖面的俯视图。
图5为超声悬浮轴承的左视图。
图6为压电换能器的结构示意图。
图7为图6的A-A剖面图。
图8为压电换能器的左视图。
图9为轴承箱的结构示意图。
图10为图9的B-B半剖面的正视图。
图11为图9的D-D半剖面的正视图。
图12为图9的俯视图。
图中：1、垂向油压减振器，2、减振器螺母，3、减振器螺栓，4、网盖，5、轴承箱，6、压电换能器，7、转臂盖，8、网盖螺栓，9、换能器紧固螺栓，10、弹簧座紧固帽，11、弹簧座上，12、外圆弹簧，13、内圆弹簧，14、弹簧座立柱，15、弹簧座下，16、防振橡胶垫，17、转臂紧固双头螺杆，18、盖形螺母，19、轴承箱后盖，20、轴瓦轴衬，21、轴瓦钢背，22、轴承箱前盖，23、箱盖螺栓，24、后盖板，25、电极，26、压电陶瓷片，27、前盖板，28、变幅杆，29、绝缘套筒，30、预应力螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1～12所示，一种高速列车径向超声悬浮轴承，包括压电换能器6、轴承箱5、弹簧组件和减振组件；
所述的压电换能器6包括变幅杆28、前盖板27、绝缘套筒29、后盖板24和预应力螺栓30；
所述的变幅杆28的前端面为圆形平面、后端面为内凹圆弧面；变幅杆28的前端通过螺柱与前盖板27连接；前盖板27的后端带有法兰盘，所述的预应力螺栓30穿过后盖板24、陶瓷电极组件后与前盖板27连接；所述的法兰盘上均布四个轴向通孔；所述的绝缘套筒29嵌套在预应力螺栓30上，所述的陶瓷电极组件嵌套在绝缘套筒29上；所述的陶瓷电极组件由五个电极25和四个压电陶瓷片26间隔串联组成；所述的压电陶瓷片26为圆柱环体；
所述的轴承箱5包括两个八边形箱体和一个由T形架与空心圆柱体组合在一起的组合体，两个八边形箱体之间通过组合体连接在一起；所述的组合体上设置转臂，所述的转臂一端固定在组合体上、另一端与高速列车动车转向架的定位装置连接；
每个八边形箱体上从前端面中心处到后端面中心处贯穿一圆柱通孔用于车轴穿过，在八边形箱体的侧面均布7个阶梯孔用于沿周向安装7个压电换能器6；每个八边形箱体的圆柱通孔内设置一个整体式轴瓦；所述的整体式轴瓦包括轴瓦钢背21和轴瓦轴衬20，轴瓦钢背21通过轴瓦轴衬20与车轴连接；所述的压电换能器6的前端面与轴瓦钢背21配合；所述的压电换能器6通过法兰和螺栓固定在八边形箱体上。在轴承箱5左端下方安置一个筋板，用于垂向油压减振器1的安装，筋板与每个八边形箱体左端下方的圆弧面相连；一个带有螺纹孔的圆柱连接在轴承箱5的上端面上，用于弹簧组件的定位安装；
所述的减振组件包括垂向油压减振器1、陶减振器螺栓3和减振器螺母2，所述的垂向油压减振器1通过陶减振器螺栓3和减振器螺母2安装在轴承箱5一端的筋板；
所述的弹簧组件由外簧和内簧构成的双重弹簧组成，包括弹簧座上11、外圆弹簧12、内圆弹簧13、弹簧座立柱14、弹簧座下15、防振橡胶垫16、弹簧座紧固帽10，所述的弹簧座立柱14的粗端螺纹安装在轴承箱5的圆柱螺纹孔内，所述的防振橡胶垫16、弹簧座下15、内圆弹簧13、外圆弹簧12、弹簧座上11由下而上嵌套在弹簧座立柱14上，弹簧座紧固帽10安装在弹簧座立柱14细端螺纹上。
进一步地，所述的转臂上设置转臂盖7，所述的转臂盖7通过4组转臂紧固双头螺杆17和盖形螺母18与转臂连接。
进一步地，所述的预应力螺栓30、后盖板24、前盖板27和变幅杆28的轴线共线。
进一步地，所述的八边形箱体与转臂为整体结构，通过铸造方法制造而成。
进一步地，所述的八边形箱体的每个阶梯孔的阶梯面上沿周向均布4个螺纹孔，所述的压电换能器6通过换能器紧固螺栓9穿过法兰上的4个轴向通孔安装在八面形箱体内。
进一步地，所述的压电换能器6的后端设置网盖4，所述的网盖4通过网盖螺栓8安装在八边形箱体上。
进一步地，所述的轴承箱5前后两侧分别通过箱盖螺栓23安装轴承箱前盖22和轴承箱后盖19。
进一步地，所述的定位装置为高速列车上的橡胶弹性定位节点。
本发明的工作原理如下：
超声波具有减摩特性和传递性。压电换能器6是利用压电陶瓷片26的逆压电效应产生高频的伸缩变形振动从而产生高频的超声波。因此具有纵向振动模态的压电换能器6的超声振动对摩擦系数的影响很大，当振幅较小时(A＜0.5μm)，由于表面粗糙度的影响，振动不足以形成降低摩擦系数的有利因素；当振幅逐渐增大时(0.5μm＜A＜5μm)，超声波振动逐渐形成减摩能力，使得摩擦系数迅速降低；当振幅继续增大时(A＞5μm)，摩擦系数几乎不再减小。为了确保压电换能器6在产生超声振动时能够实现减小轴系间摩擦的效果，因此设计的压电换能器6的前端面振幅不小于5μm。
高速列车行驶时产生的轴向载荷由轴承箱5中的轴瓦承载；产生的径向载荷大部分由轴瓦和轴承箱5承载，小部分由均匀分布的压电换能器6承载且不影响其正常的工作。轴承箱5中的压电换能器6接通电源时，14个换能器开始同时工作产生超声振动，振动产生的超声波先作用在轴瓦上再传递到轴瓦内侧与车轴间，设计的超声悬浮轴承就是利用超声波的减摩特性实现减小轴间摩擦的效果。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：包括压电换能器(6)、轴承箱(5)、弹簧组件和减振组件；
所述的压电换能器(6)包括变幅杆(28)、前盖板(27)、绝缘套筒(29)、后盖板(24)和预应力螺栓(30)；
所述的变幅杆(28)的前端面为圆形平面、后端面为内凹圆弧面；变幅杆(28)的前端通过螺柱与前盖板(27)连接；前盖板(27)的后端带有法兰盘，所述的预应力螺栓(30)穿过后盖板(24)、陶瓷电极组件后与前盖板(27)连接；所述的法兰盘上均布四个轴向通孔；所述的绝缘套筒(29)嵌套在预应力螺栓(30)上，所述的陶瓷电极组件嵌套在绝缘套筒(29)上；所述的陶瓷电极组件由五个电极(25)和四个压电陶瓷片(26)间隔串联组成；所述的压电陶瓷片(26)为圆柱环体；
所述的轴承箱(5)包括两个八边形箱体和一个由T形架与空心圆柱体组合在一起的组合体，两个八边形箱体之间通过组合体连接在一起；所述的组合体上设置转臂，所述的转臂一端固定在组合体上、另一端与高速列车动车转向架的定位装置连接；
每个八边形箱体上从前端面中心处到后端面中心处贯穿一圆柱通孔用于车轴穿过，在八边形箱体的侧面均布7个阶梯孔用于沿周向安装7个压电换能器(6)；每个八边形箱体的圆柱通孔内设置一个整体式轴瓦；所述的整体式轴瓦包括轴瓦钢背(21)和轴瓦轴衬(20)，轴瓦钢背(21)通过轴瓦轴衬(20)与车轴连接；所述的压电换能器(6)的前端面与轴瓦钢背(21)配合；所述的压电换能器(6)通过法兰和螺栓固定在八边形箱体上。在轴承箱(5)左端下方安置一个筋板，用于垂向油压减振器(1)的安装，筋板与每个八边形箱体左端下方的圆弧面相连；一个带有螺纹孔的圆柱连接在轴承箱(5)的上端面上，用于弹簧组件的定位安装；
所述的减振组件包括垂向油压减振器(1)、陶减振器螺栓(3)和减振器螺母(2)，所述的垂向油压减振器(1)通过陶减振器螺栓(3)和减振器螺母(2)安装在轴承箱(5)一端的筋板；
所述的弹簧组件由外簧和内簧构成的双重弹簧组成，包括弹簧座上(11)、外圆弹簧(12)、内圆弹簧(13)、弹簧座立柱(14)、弹簧座下(15)、防振橡胶垫(16)、弹簧座紧固帽(10)，所述的弹簧座立柱(14)的粗端螺纹安装在轴承箱(5)的圆柱螺纹孔内，所述的防振橡胶垫(16)、弹簧座下(15)、内圆弹簧(13)、外圆弹簧(12)、弹簧座上(11)由下而上嵌套在弹簧座立柱(14)上，弹簧座紧固帽(10)安装在弹簧座立柱(14)细端螺纹上。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的转臂上设置转臂盖(7)，所述的转臂盖(7)通过4组转臂紧固双头螺杆(17)和盖形螺母(18)与转臂连接。
3.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的预应力螺栓(30)、后盖板(24)、前盖板(27)和变幅杆(28)的轴线共线。
4.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的八边形箱体与转臂为整体结构，通过铸造方法制造而成。
5.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的八边形箱体的每个阶梯孔的阶梯面上沿周向均布4个螺纹孔，所述的压电换能器(6)通过换能器紧固螺栓(9)穿过法兰上的4个轴向通孔安装在八面形箱体内。
6.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的压电换能器(6)的后端设置网盖(4)，所述的网盖(4)通过网盖螺栓(8)安装在八边形箱体上。
7.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的轴承箱(5)前后两侧分别通过箱盖螺栓(23)安装轴承箱前盖(22)和轴承箱后盖(19)。
8.根据权利要求1所述的一种高速列车径向超声悬浮轴承，其特征在于：所述的定位装置为高速列车上的橡胶弹性定位节点。
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