CN112879423A - 一种轨道车辆振动试验台用关节轴承及其寿命计算方法 - Google Patents

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CN112879423A CN202110024522.5A CN202110024522A CN112879423A CN 112879423 A CN112879423 A CN 112879423A CN 202110024522 A CN202110024522 A CN 202110024522A CN 112879423 A CN112879423 A CN 112879423A
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Abstract

一种轨道车辆振动试验台用关节轴承及其寿命计算方法，涉及轴承技术领域，本发明通过在半圆形外圈(1)与内圈(2)上设置油孔和油槽，在内圈内设置镶嵌有若干摩擦块(4)的轴套(3)，摩擦块形成错位交叉分布，工作时轴向运动的滑动轴表面均能经过摩擦块而得到润滑，同时基于磨损量计算关节轴承的使用寿命，本发明具有结构合理，安装方便等特点，特别适用于振动试验平台，适合大范围的推广和应用。

Description

一种轨道车辆振动试验台用关节轴承及其寿命计算方法
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种关节轴承及其寿命计算方法，具体涉及一种轨道车辆振动试验台用关节轴承及其寿命计算方法。
背景技术
已知的，轨道交通作为主要的陆上运输工具，有着运力大、成本低、适应性强、安全性好等优势，对经济发展起着重要推动作用。
随着我国轨道交通的飞速发展，轨道车辆的更新换代越来越快。为了保证新型车辆的安全性，在车辆开发阶段，需进行模拟运行试验，可靠、稳定的试验平台是保证车辆开发成功的关键环节之一。
某型轨道车辆的振动试验平台，其轨道轮轴多个自由度工作，两端选择滚动轴承搭配关节轴承组合结构，因尺寸所限不能选择标准尺寸轴承，除了常规的转动外，轮轴两端分别设置有横向和竖向激振器，模拟振动工况。模拟超高工况时，激振频率达15Hz(每秒往复15次)。关节轴承受载较大且动作频繁，磨损较大，对使用寿命有较大考验。同时由于需与滚动轴承配合，关节轴承可利用空间较小。
因此，为了满足上述技术要求，提供一种轨道车辆振动试验台用关节轴承及其寿命计算方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种轨道车辆振动试验台用关节轴承及其寿命计算方法，本发明具有结构合理，安装方便等特点，特别适用于振动试验平台，适合大范围的推广和应用。
为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
一种轨道车辆振动试验台用关节轴承，包括半圆形外圈、内圈、轴套、摩擦块、活动挡圈、左紧固圈和右紧固圈，在所述内圈的外缘面上套接有两个半圆形外圈，在两半圆形外圈的左右两侧分别设有左紧固圈和右紧固圈将两半圆形外圈固连形成整体外圈，在内圈内缘面的右端设有固定挡边，在所述固定挡边左侧的内圈内缘面上套接有轴套，在所述轴套的内缘面上设有复数个摩擦块，在内圈左端的活动挡圈安装槽内设有活动挡圈形成所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述整体外圈的外径尺寸为
Figure BDA0002889729990000021
宽度为120mm。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述半圆形外圈的内缘面设有弧形面，在半圆形外圈的外缘面上设有至少一个贯通至弧形面的半圆形外圈油孔，所述半圆形外圈油孔的下端连接设置在半圆形外圈内缘面上的半圆形外圈圆周宽油槽，所述半圆形外圈圆周宽油槽连接至少一个半圆形外圈横向油槽，所述半圆形外圈横向油槽的左右两端分别连接设置在半圆形外圈圆周宽油槽左右两边的半圆形外圈圆周窄油槽，在半圆形外圈内缘面的左右两边分别设有半圆形外圈密封槽，在半圆形外圈内缘面左边的半圆形外圈密封槽内设有密封圈C，在半圆形外圈内缘面右边的半圆形外圈密封槽内设有密封圈D。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述内圈的外缘面为中部高，左右两侧低的弧形面，在内圈的外缘面上设有至少一个贯通至内缘面的内圈油孔，在内圈的右端面设有至少两个吊装孔，在内圈的左端面设有向右凹陷的活动挡圈安装槽，在活动挡圈安装槽的底部设有至少两个螺纹孔，在内圈内缘面的右端设有固定挡边，在固定挡边的内缘面上设有内圈密封槽，在所述内圈密封槽内设有密封圈A。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述轴套为圆环形结构，在轴套内缘面上设有复数个摩擦块镶嵌孔，在每个摩擦块镶嵌孔内分别设有摩擦块，在轴套的外缘面上设有至少一个贯通至内缘面的油孔，所述油孔连接设置在内缘面上的油槽A，所述油槽A连接油槽B，所述油槽B 连接油槽C。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述轴套内缘面上设置的复数个摩擦块镶嵌孔，摩擦块镶嵌孔的分布遵循单列中各摩擦块镶嵌孔间隔 15°均布，相邻列中，相邻摩擦块镶嵌孔间隔9°形成错位交叉分布，油槽A和油槽B呈X型设置。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述摩擦块为添加20％玻璃纤维及10％石墨的增强聚四氟乙烯材料。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述左紧固圈包括左半圈和右半圈，在所述左半圈右侧面的上下两端分别设有螺孔，在所述右半圈左侧面的上下两端分别设有阶梯孔。
所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，所述活动挡圈的左端面间隔设有至少两个螺钉安装孔，在活动挡圈的内缘面上设有环形凹槽，在所述环形凹槽内设有密封圈B。
一种轨道车辆振动试验台用关节轴承的寿命计算方法，所述寿命计算方法具体包括如下步骤：
第一步、确定轴和轴套配合，设定失效目标值：
轴和轴套为间隙配合，选择合适的配合公差，计算其最大间隙量，设定最大间隙量的2倍为失效目标值，达到磨损量后即认为配合失效；
第二步、基于赫兹接触理论计算接触表面压强：
计算接触体曲率和：
Figure BDA0002889729990000041
计算材料系数：
Figure BDA0002889729990000042
计算接触宽度：
Figure BDA0002889729990000043
计算接触表面压强：
Figure BDA0002889729990000044
第三步、计算轴与轴套摩擦的平均线速度：
Figure BDA0002889729990000045
第四步、计算磨损率：
Γ＝(k1+k2)pv；
第五步、计算轴套使用寿命：
轴套每90°旋转一次使用，共旋转四次：
Figure BDA0002889729990000051
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
本发明通过在半圆形外圈与内圈上设置油孔和油槽，在内圈内设置镶嵌有若干摩擦块的轴套，摩擦块形成错位交叉分布，工作时轴向运动的滑动轴表面均能经过摩擦块而得到润滑，同时基于磨损量计算关节轴承的使用寿命，本发明具有结构合理，安装方便等特点，特别适用于振动试验平台，适合大范围的推广和应用。
附图说明
图1为本发明中关节轴承的结构示意图；
图2为图1的爆炸结构示意图；
图3为本发明中半圆形外圈的结构示意图；
图4为图3的A-A剖视结构示意图；
图5为本发明中内圈的结构示意图；
图6为本发明中轴套的结构示意图；
图7为图6的B-B剖视结构示意图；
图8为本发明中左紧固圈的结构示意图；
图9为本发明中摩擦块分布覆盖示意图；
图10为本发明中关节轴承的应用示意图；
在图中：1、半圆形外圈；2、内圈；3、轴套；4、摩擦块；5、密封圈A；6、密封圈B；7、活动挡圈；8、螺钉；9、密封圈C；10、密封圈 D；11、左紧固圈；1101、螺孔；1102、阶梯孔；1103、左半圈；1104、右半圈；12、右紧固圈；13、半圆形外圈油孔；14、半圆形外圈圆周宽油槽；15、半圆形外圈圆周窄油槽；16、半圆形外圈横向油槽；17、半圆形外圈密封槽；18、内圈油孔；19，吊装孔；20、固定挡边；21、内圈密封槽；22、活动挡圈安装槽；23、螺纹孔；24、摩擦块镶嵌孔；25、油槽A； 26、油槽B；27、油槽C；28、油孔。
具体实施方式
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
首先需要说明的是，本发明在描述结构时采用的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明根据附图1～10所述的一种轨道车辆振动试验台用关节轴承，包括半圆形外圈1、内圈2、轴套3、摩擦块4、活动挡圈7、左紧固圈11 和右紧固圈12，在所述内圈2的外缘面上套接有两个半圆形外圈1，在两半圆形外圈1的左右两侧分别设有左紧固圈11和右紧固圈12将两半圆形外圈1固连形成整体外圈，在内圈2内缘面的右端设有固定挡边20，在所述固定挡边20左侧的内圈2内缘面上套接有轴套3，在所述轴套3的内缘面上设有复数个摩擦块4，在内圈2左端的活动挡圈安装槽22内设有活动挡圈7，所述活动挡圈7通过螺钉8紧固在活动挡圈安装槽22内形成所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承。
具体实施时，如图3、4所示，所述半圆形外圈1的内缘面设有与内圈2外缘面弧形面一致的弧形面，在半圆形外圈1的外缘面上设有至少一个贯通至弧形面的半圆形外圈油孔13，在半圆形外圈1外缘面的左右两侧分别设有紧固圈安装槽，所述半圆形外圈油孔13的下端连接设置在半圆形外圈1内缘面上的半圆形外圈圆周宽油槽14，所述半圆形外圈圆周宽油槽14连接至少一个半圆形外圈横向油槽16，所述半圆形外圈横向油槽16的左右两端分别连接设置在半圆形外圈圆周宽油槽14左右两边的半圆形外圈圆周窄油槽15，在半圆形外圈1内缘面的左右两边分别设有半圆形外圈密封槽17，在半圆形外圈1内缘面左边的半圆形外圈密封槽17 内设有密封圈C9，在半圆形外圈1内缘面右边的半圆形外圈密封槽17 内设有密封圈D10。实施时，半圆形外圈1的外缘面圆周方向均布六个半圆形外圈油孔13；半圆形外圈1的内缘面上设有纵横交错的润滑油槽，对应半圆形外圈油孔13位置设置一条半圆形外圈圆周宽油槽14，两边对称设置两条半圆形外圈圆周窄油槽15，横向每隔15°设置24条半圆形外圈横向油槽16，半圆形外圈横向油槽16联通半圆形外圈圆周宽油槽14 和半圆形外圈圆周窄油槽15，半圆形外圈1内径两侧设置用于安装密封圈C9和密封圈D10的半圆形外圈密封槽17形成外圈的润滑系统。
进一步，如图5所示，所述内圈2为非对称结构，外径SR圆面为工作表面，内圈2的外缘面为中部高，左右两侧低的弧形面，在内圈2的外缘面上设有至少一个贯通至内缘面的内圈油孔18，在内圈2的右端面设有至少两个吊装孔19，在内圈2的左端面设有向右凹陷的活动挡圈安装槽22，在活动挡圈安装槽22的底部设有至少两个螺纹孔23，在内圈2 内缘面的右端设有固定挡边20，在固定挡边20的内缘面上设有内圈密封槽21，在所述内圈密封槽21内设有密封圈A5。实施时，外径SR弧形面为工作表面，内圈油孔18对应半圆形外圈圆周宽油槽14。
进一步，如图6、7所示，所述轴套3为圆环形结构，轴套3的材质为青铜，在轴套3内缘面上设有复数个摩擦块镶嵌孔24，在每个摩擦块镶嵌孔24内分别设有摩擦块4，在轴套3的外缘面上设有至少一个贯通至内缘面的油孔28，所述油孔28连接设置在内缘面上的油槽A25，所述油槽A25连接油槽B26，所述油槽B26连接油槽C27。实施时，在所述轴套3内缘面上设置的复数个摩擦块镶嵌孔24，摩擦块镶嵌孔24的分布遵循单列中各摩擦块镶嵌孔24在纵向上为圆周15°均布，相邻列中，相邻摩擦块镶嵌孔24间隔9°形成错位交叉分布，工作时轴向运动的滑动轴表面均能经过摩擦块4，油槽A25和油槽B26呈X型设置，X型油槽位于摩擦块镶嵌孔24的间隙，不与摩擦块镶嵌孔24重叠。在X型油槽的交汇处设置油孔28。摩擦块镶嵌孔24内镶嵌摩擦块4后，将如图1、2 所示，轴在轴套3内滑动时，如图9所示，所有部分均能接触摩擦块4，实现全覆盖，使接触面得到润滑。所述摩擦块4为添加20％玻璃纤维及10％石墨的增强聚四氟乙烯材料。
进一步，如图8所示，所述左紧固圈11包括左半圈1103和右半圈 1104，左半圈1103和右半圈1104通过螺栓固定为一个完整的圆环，在所述左半圈1103右侧面的上下两端分别设有螺孔1101，在所述右半圈1104 左侧面的上下两端分别设有阶梯孔1102。
进一步，如图1、2所示，所述活动挡圈7的左端面间隔设有至少两个螺钉安装孔，在活动挡圈7的内缘面上设有环形凹槽，在所述环形凹槽内设有密封圈B6。
进一步，如图1、2所示，所述轴套3、活动挡圈7和固定挡边20的内内缘面尺寸相同。
进一步，所述密封圈A5、密封圈B6、密封圈C9和密封圈D10为丁腈橡胶密封圈。
本发明所述的关节轴承中整体外圈的外径尺寸为
Figure BDA0002889729990000092
宽度为 120mm。即关节轴承的外形尺寸为
Figure BDA0002889729990000093
具有直径大、宽度窄的特点，属于非标轴承。比GB/T 9163《关节轴承向心关节轴承》中规定的任一尺寸轴承有更小的宽径比。
一种轨道车辆振动试验台用关节轴承的寿命计算方法，本发明在使用中有多个自由度，应用中轴套3磨损严重，使用一段时间后90度旋转，调整负荷区，360度均磨损后可拆开活动挡圈7，更换轴套3，关节轴承在应用中半圆形外圈1与内圈2接触球面的使用寿命较长，轴套3寿命短，轴套3寿命到期，关节轴承需要下机维修，所以轴套3寿命即为关节轴承的使用寿命，这与常规关节轴承本质不同，所述寿命计算方法具体包括如下步骤：
第一步、确定轴和轴套3配合，设定失效目标值：
轴和轴套3为间隙配合，选择合适的配合公差，计算其最大间隙量，设定最大间隙量的2倍为失效目标值，达到磨损量后即认为配合失效；
第二步、基于赫兹接触理论计算接触表面压强：
计算接触体曲率和：
Figure BDA0002889729990000091
计算材料系数：
Figure BDA0002889729990000101
计算接触宽度：
Figure BDA0002889729990000102
计算接触表面压强：
Figure BDA0002889729990000103
第三步、计算轴与轴套3摩擦的平均线速度：
Figure BDA0002889729990000104
第四步、计算磨损率：
Γ＝(k1+k2)pv；
第五步、计算轴套3使用寿命：
轴套3每90°旋转一次使用，共旋转四次：
Figure BDA0002889729990000105
本发明在实际计算时，具体实施例如下：
本发明选择配合公差为H8/e8。轴套直径D1＝490mm，公差 0～0.097mm，轴套平均半径R1＝245.02425。轴直径D2＝490mm，公差-0.232 ～-0.135mm，轴平均半径R2＝244.9325。原始最大间隙量0.329mm。 E1＝1.08×1011pa，E2＝2.07×1011pa，μ1＝0.32，μ2＝0.26l＝186mm， f＝2/6/10/15Hz，s＝±12/±7/±3/±2mm，Fr1＝200KN，Fr2＝0～400KN
第一步、设置失效目标：最大间隙量的两倍，H＝0.329X2＝0.658mm
第二步、计算表面压强：
Figure BDA0002889729990000111
Figure BDA0002889729990000112
Figure BDA0002889729990000113
Figure BDA0002889729990000114
接触表面压强：
Figure BDA0002889729990000115
第三步、计算轴与轴套摩擦的平均线速度：
Figure BDA0002889729990000116
第四步、计算磨损率：
Γ＝(k1+k2)pv＝0.00019mm/h
第五步、计算轴套使用寿命：
Figure BDA0002889729990000117
经过计算，所述关节轴承经使用20个月后，达到寿命极限，应下机更换轴套3，材料的磨损量反应摩擦学系统的综合性能，影响因素非常复杂。
本发明在组装时，如图2所示，首先将轴套3装进内圈2内；然后将活动挡圈7压向内圈2，并用螺钉固定；将半圆形外圈1从两个方向合拢；将左紧固圈11、右紧固圈12安装到半圆形外圈1并用螺钉固定。密封圈 A5、密封圈B6、密封圈C9和密封圈D10在安装相应组件时手动塞入槽内。使用过程中轴套3需要定期更换，此时拧开螺钉8，取下活动挡圈7 即可。
本发明与常规关节轴承不同的是，半圆形外圈1与内圈2之间没有镶嵌块或衬垫，但是增设有油孔、油槽。内圈2内设有镶嵌有若干摩擦块4 的轴套3，通过活动挡圈7从一侧限制轴套3移动，轴套3另一侧由内圈 3自带的固定挡边20限制。固定挡边20内设置密封圈A5，活动挡圈7 内设置密封圈B6，半圆形外圈1两侧分别设置密封圈C9和密封圈D10，半圆形外圈1与内圈2分别设置了油槽、油孔，共同构成润滑及密封系统。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (10)

1.一种轨道车辆振动试验台用关节轴承，包括半圆形外圈(1)、内圈(2)、轴套(3)、摩擦块(4)、活动挡圈(7)、左紧固圈(11)和右紧固圈(12)，其特征是：在所述内圈(2)的外缘面上套接有两个半圆形外圈(1)，在两半圆形外圈(1)的左右两侧分别设有左紧固圈(11)和右紧固圈(12)将两半圆形外圈(1)固连形成整体外圈，在内圈(2)内缘面的右端设有固定挡边(20)，在所述固定挡边(20)左侧的内圈(2)内缘面上套接有轴套(3)，在所述轴套(3)的内缘面上设有复数个摩擦块(4)，在内圈(2)左端的活动挡圈安装槽(22)内设有活动挡圈(7)形成所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述整体外圈的外径尺寸为
Figure FDA0002889729980000011
宽度为120mm。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述半圆形外圈(1)的内缘面设有弧形面，在半圆形外圈(1)的外缘面上设有至少一个贯通至弧形面的半圆形外圈油孔(13)，所述半圆形外圈油孔(13)的下端连接设置在半圆形外圈(1)内缘面上的半圆形外圈圆周宽油槽(14)，所述半圆形外圈圆周宽油槽(14)连接至少一个半圆形外圈横向油槽(16)，所述半圆形外圈横向油槽(16)的左右两端分别连接设置在半圆形外圈圆周宽油槽(14)左右两边的半圆形外圈圆周窄油槽(15)，在半圆形外圈(1)内缘面的左右两边分别设有半圆形外圈密封槽(17)，在半圆形外圈(1)内缘面左边的半圆形外圈密封槽(17)内设有密封圈C(9)，在半圆形外圈(1)内缘面右边的半圆形外圈密封槽(17)内设有密封圈D(10)。
4.根据权利要求1所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述内圈(2)的外缘面为中部高，左右两侧低的弧形面，在内圈(2)的外缘面上设有至少一个贯通至内缘面的内圈油孔(18)，在内圈(2)的右端面设有至少两个吊装孔(19)，在内圈(2)的左端面设有向右凹陷的活动挡圈安装槽(22)，在活动挡圈安装槽(22)的底部设有至少两个螺纹孔(23)，在内圈(2)内缘面的右端设有固定挡边(20)，在固定挡边(20)的内缘面上设有内圈密封槽(21)，在所述内圈密封槽(21)内设有密封圈A(5)。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述轴套(3)为圆环形结构，在轴套(3)内缘面上设有复数个摩擦块镶嵌孔(24)，在每个摩擦块镶嵌孔(24)内分别设有摩擦块(4)，在轴套(3)的外缘面上设有至少一个贯通至内缘面的油孔(28)，所述油孔(28)连接设置在内缘面上的油槽A(25)，所述油槽A(25)连接油槽B(26)，所述油槽B(26)连接油槽C(27)。
6.根据权利要求5所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述轴套(3)内缘面上设置的复数个摩擦块镶嵌孔(24)，摩擦块镶嵌孔(24)的分布遵循单列中各摩擦块镶嵌孔(24)间隔15°均布，相邻列中，相邻摩擦块镶嵌孔(24)间隔9°形成错位交叉分布，油槽A(25)和油槽B(26)呈X型设置。
7.根据权利要求5所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述摩擦块(4)为添加20％玻璃纤维及10％石墨的增强聚四氟乙烯材料。
8.根据权利要求1所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述左紧固圈(11)包括左半圈(1103)和右半圈(1104)，在所述左半圈(1103)右侧面的上下两端分别设有螺孔(1101)，在所述右半圈(1104)左侧面的上下两端分别设有阶梯孔(1102)。
9.根据权利要求1所述的轨道车辆振动试验台用关节轴承，其特征是：所述活动挡圈(7)的左端面间隔设有至少两个螺钉安装孔，在活动挡圈(7)的内缘面上设有环形凹槽，在所述环形凹槽内设有密封圈B(6)。
10.利用权利要求1～9任一权利要求所述的一种轨道车辆振动试验台用关节轴承的一种轨道车辆振动试验台用关节轴承的寿命计算方法，其特征是：所述寿命计算方法具体包括如下步骤：
第一步、确定轴和轴套(3)配合，设定失效目标值：
轴和轴套(3)为间隙配合，选择合适的配合公差，计算其最大间隙量，设定最大间隙量的2倍为失效目标值，达到磨损量后即认为配合失效；
第二步、基于赫兹接触理论计算接触表面压强：
计算接触体曲率和：
Figure FDA0002889729980000031
计算材料系数：
Figure FDA0002889729980000032
计算接触宽度：
Figure FDA0002889729980000033
计算接触表面压强：
Figure FDA0002889729980000034
第三步、计算轴与轴套(3)摩擦的平均线速度：
Figure FDA0002889729980000035
第四步、计算磨损率：
Γ＝(k1+k2)pv；
第五步、计算轴套(3)使用寿命：
轴套(3)每90°旋转一次使用，共旋转四次：
Figure FDA0002889729980000041
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