CN113819143B - 一种高速列车转向架混合支撑装置以及转向架 - Google Patents

一种高速列车转向架混合支撑装置以及转向架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速列车转向架混合支撑装置及其高速列车转向架，包括车轴(1)和套装在车轴(1)上的双列圆锥滚子轴承(2)，其特征在于，在双列圆锥滚子轴承(2)相邻处，在车轴(1)上依次套设有轴套(3)和磁悬浮轴承，轴承套(9、12)罩盖双列圆锥滚子轴承(2)、轴套(3)和磁悬浮轴承。本发明在采用永磁磁悬浮轴承和双列圆锥滚子轴承混合支撑的方式代替现行的圆柱滚子轴承支撑系统，利用磁悬浮无接触、无摩擦、无磨损、高速度等优势，极大的降低列车高速行驶下的轴承磨耗，提高支撑系统的寿命和可靠性，降低车厢的振动和噪声，提高乘坐的舒适性。

Description

一种高速列车转向架混合支撑装置以及转向架
技术领域
本发明涉及列车转向架支撑技术领域，特别是一种高速列车转向架混合支撑装置以及高速列车转向架，该装置是基于永磁磁悬浮轴承和双列圆锥滚子轴承的混合支撑方式，以减少双列圆锥滚子轴承的磨损，增加轨道车辆的承载负荷。
背景技术
高速列车转向架是保证列车高速运行的关键部件。随着列车速度的提高，列车所需牵引功率急剧增加，轮轨动作用力变得更大。车轮的磨耗、齿轮的磨耗、轴承的磨耗、制动闸片、制动盘的磨耗、各种销套间的磨耗。磨耗不均产生的异常受力会对高速动力转向架的寿命和可靠性产生严重不利影响。磁轴承具有无接触、无摩擦、无磨损、高速度、高精度、无需润滑和密封等优势，可从根本上解决传统支撑形式磨耗较大的缺陷。磁轴承可分为有源磁轴承和永磁磁轴承(无源磁轴承)。与有源磁轴承相比，永磁磁轴承具有结构简单、价格低廉、承载力高、零响应时间等突出优点，还可与机械轴承、空气轴承等传动机构相结合，构成各种形式的磁轴承系统，具有广泛应用前景。
授权专利CN201710058580.3所述的一种铁路快运货车转向架，采用橡胶堆安装平台实现车体的承载和减振；授权专利CN201210019963.7所述的一种转向架构架支撑装置和转向架，采用上下端分别与转向架构架与转向架轮对固定连接的弹性支撑件和刚性支撑件，具有较好的承载和减振能力。
专利申请一种轮轨-永磁悬浮混合承载转向架(申请号CN202110912769.0，申请公布号CN113352903A，申请公布日期2021年9月7日)公开的技术方案是，通过在转向架构架上增设永磁体的方案进行辅助支撑，可降低车厢的振动，但并未考虑由永磁体肖恩定律和系统振动产生的轴向载荷。以上转向架传动支撑装置均采用机械轴承支撑，随着列车速度的提高，轴承的磨耗加剧，车厢的振动和噪声提升，降低了乘坐的舒适性。因此需要开发一种新的结构解决转向架轴承磨损周期，提高轴承使用寿命的新结构。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高速列车转向架混合支撑装置，将永磁磁悬浮轴承安装于车轴转子和转向架构架定子上，利用永磁轴承和双列圆锥滚子轴承共同承载车厢的常载荷，极大减小了现有的四列圆柱滚子轴承存在装置存在较大摩擦磨损的缺陷，有效降低了车厢的振动和噪声和传动装置更换安装成本，此外，双列圆锥滚子轴承还可用于消除永磁体肖恩定律和系统振动产生的轴向载荷。本发明的目的在于公开一种高速列车转向架混合支撑装置以及高速列车转向架。
本发明的技术方案是：一种高速列车转向架混合支撑装置，包括车轴(1)和套装在车轴(1)上的双列圆锥滚子轴承(2)，其特征在于，在双列圆锥滚子轴承(2)相邻处，在车轴(1)上依次套设有轴套(3)和磁悬浮轴承，轴承套(9、12)罩盖双列圆锥滚子轴承(2)、轴套(3)和磁悬浮轴承。
优选地，所述的磁悬浮轴承主要包括：内安装套(4)、内环形磁钢(5)、外上扇形磁钢(7)和外上安装套(8)；内安装套(4)套设在车轴(1)上，内环形磁钢(5)位于内安装套(4)上；外上扇形磁钢(7)、外上安装套(8)和上轴承套(9)依次从下向上设置在内环形磁钢(5)上，内环形磁钢(5)和外上扇形磁钢(7)之间留有上气隙(14)；内环形磁钢(5)和外上扇形磁钢(7)之间的磁极相同，形成磁力相斥的一个磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承位于车轴上方。
优选地，所述的磁悬浮轴承主要包括：内安装套(4)、内环形磁钢(5)、外下扇形磁钢(10)和外下安装套(11)；内安装套(4)套设在车轴(1)上，内环形磁钢(5)位于内安装套(4)上；外下扇形磁钢(10)、外下安装套(11)和下轴承套(12)依次从上向下设置成与内环形磁钢(5)左右对齐，内环形磁钢(5)和外下扇形磁钢(10)之间留有下气隙(15)；内环形磁钢(5)和外下扇形磁钢(10)之间的磁极相反，形成磁力相吸的一个磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承位于车轴下方。
优选地，所述的外上扇形磁钢(7)和外下扇形磁钢(10)的圆心角约为120°到150°。
优选地，所述的上气隙(14)和下气隙(15)大小约为0.5mm。
优选地，所述的内环形磁钢(5)、外上扇形磁钢(7)和外下扇形磁钢(10)为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料。
优选地，所述的内环形磁钢(5)、外上扇形磁钢(7)和外下扇形磁钢(10)均为径向充磁，充磁方向为：内环形磁钢(5)外N内S，外上扇形磁钢(7)外S内N，外下扇形磁钢(10)外N内S；或者内环形磁钢(5)外S内N，外上扇形磁钢(7)外N内S，外下扇形磁钢(10)外S内N；以上充磁方向全部相反亦可。
一种高速列车转向架，包括轮对和转向架构架，其特征在于，在轮对的车轴上设置有所述的高速列车转向架混合支撑装置。
优选地，在车轴(1)的左右两侧分别设置有对称的混合支撑装置。
优选地，所述的上轴承套(9)和下轴承套(12)通过螺栓与转向架构架固定连接。
上述方案的原理是：本发明中的一种高速列车转向架混合支撑装置，当安装于车轴轴头的内环形磁钢充磁方向为外N内S时，位于内环形磁钢正上方的外上扇形磁钢充磁方向为外S内N，与内环形磁钢之间产生斥力，因此轴承套受到向上的悬浮力；位于内环形磁钢正下方的外下扇形磁钢充磁方向为外N内S，与内环形磁钢之间产生吸力，因此轴承套同样受到向上的悬浮力。因此，“上斥下吸”的磁悬浮轴承与双列圆锥滚子的混合方案，替代现行的传动装置仅采用圆柱滚子轴承的方案，可以极大程度地克服列车高速运行时传动装置存在较大摩擦磨损的缺陷，从而降低车厢的振动和噪声，减少车轴传动装置更换频率；此外，双列圆锥滚子轴承还可用于消除永磁体肖恩定律和系统振动产生的轴向载荷，提高系统可靠性。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是一种高速列车转向架混合支撑装置，与现有的圆柱滚子轴承支撑方式相比，磁悬浮轴承具有无接触、无摩擦、无需润滑、低振动等优势，极大解决了传动装置轴承磨损的缺陷，极大提高了轴承寿命，有效降低了车厢的振动和噪声，降低了安装成本，提高乘坐的舒适性。
附图说明
图1A为本发明技术解决方案的径向剖视图；
图1B为图1A左端的局部放大图；
图1C为图1A右端的局部放大图；
图2为本发明技术解决方案的正等轴测图；
图3为本发明技术解决方案的转子剖视图；
图4为本发明技术解决方案的上轴承套定子系统剖视图；
图5为本发明技术解决方案的下轴承套定子系统剖视图；
图6为本发明技术解决方案的磁路示意图；
图7为本发明技术解决方案的受力分析示意图。
附图中：车轴1、双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4、内环形磁钢5、安装锁母6、外上扇形磁钢7、外上安装套8、上轴承套9、外下扇形磁钢10、外下安装套11、下轴承套12、端盖13、上气隙14、下气隙15。
具体实施方式
如图1A、B和C所示，本发明的技术解决方案为：一种高速列车转向架混合支撑装置，在车轴1的左右两侧分别设置有两套对称的混合支撑装置，每套混合支撑装置的结构包括：并列套设在车轴1上的双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4和安装锁母6，内环形磁钢5位于内安装套4，外上扇形磁钢7、外上安装套8和上轴承套9依次从下向上设置在内环形磁钢5上，内环形磁钢5和外上扇形磁钢7之间留有上气隙14。外下扇形磁钢10、外下安装套11和下轴承套12依次从上向下设置成与内环形磁钢5左右对齐，内环形磁钢5和外下扇形磁钢10之间留有下气隙15。
该结构实际是由传统的双列圆锥滚子轴承支撑结构和磁悬浮轴承有机结合，内环形磁钢5和外上扇形磁钢7之间的磁极相同，形成磁力相斥的一个磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承位于车轴上方。内环形磁钢5和外下扇形磁钢10之间的磁极相反，形成磁力相吸的一个磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承位于车轴下方。在其他实施例中，也可以分别只采用磁力相斥的一个磁悬浮轴承，或者只采用磁力相吸的一个磁悬浮轴承。
该混合支撑结构，随车轴一起转动组成部分为转子系统，与车架(图中未标出)固定连接在一起的组成部分为定子系统，转子系统主要包括：车轴1、双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4、内环形磁钢5、安装锁母6。与转向架构架固定连接的组成部分为定子系统，定子系统主要包括：外上扇形磁钢7、外上安装套8、上轴承套9、外下扇形磁钢10、外下安装套11、下轴承套12、端盖13。车轴1位于双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4、内环形磁钢5和安装锁母6的径向内侧，双列圆锥滚子轴承2通过车轴1轴肩定位安装于轴头，轴套3位于双列圆锥滚子轴承2的轴向外侧，内安装套4位于轴套3的轴向外侧，内环形磁钢5位于轴套3的轴向外侧，内环形磁钢5位于内安装套4的径向外侧并与之固联，双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4和内环形磁钢5均位于安装锁母6轴向内侧，并通过安装锁母6与车轴1的螺纹配合固定安装于车轴1轴头上；外上扇形磁钢7位于车轴1的正上方和内环形磁钢5的径向外侧，外上安装套8位于外上扇形磁钢7的径向外侧，外上扇形磁钢7和外上安装套8安装于上轴承套9扇形槽径向内侧。该轴套3用于保持双列圆锥滚子轴承2和内安装套4之间有一定的距离，避免双列圆锥滚子轴承2转动时和内安装套4相互干扰。
外下扇形磁钢10位于车轴1的正下方和内环形磁钢5的径向外侧，外下安装套11位于外下扇形磁钢10的径向外侧，外下扇形磁钢10和外下安装套11安装于下轴承套12扇形槽径向内侧，端盖13位于车轴1轴向外侧，端盖13位于上轴承套9和下轴承套12径向内侧，并通过螺钉固定连接于上轴承套9和下轴承套12；内环形磁钢5和外上扇形磁钢7之间形成上气隙14，内环形磁钢5和外下扇形磁钢10之间形成下气隙15。
图2为本发明技术解决方案的正等轴测图，车轴1通过动力装置2实现高速旋转，弹性装置3和轴承套组件4与转向架构架固定连接，弹性装置3主要用于减振和承载轴向载荷，轴承套组件4用于承载车厢径向载荷和工作过程中产生的轴向变载荷。
图3为本发明技术解决方案的转子剖视图，转子系统主要包括：车轴1、双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4、内环形磁钢5、安装锁母6；车轴1位于双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4、内环形磁钢5和安装锁母6的径向内侧，双列圆锥滚子轴承2通过车轴1轴肩定位安装于轴头，轴套3位于双列圆锥滚子轴承2的轴向外侧，内安装套4位于轴套3的轴向外侧，内环形磁钢5位于轴套3的轴向外侧，内环形磁钢5位于内安装套4的径向外侧并与之固联，双列圆锥滚子轴承2、轴套3、内安装套4和内环形磁钢5均位于安装锁母6轴向内侧，并通过安装锁母6与车轴1的螺纹配合固定安装于车轴1轴头上。所述的内环形磁钢5为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，充磁方向为径向充磁，具体方向为外N内S或者外S内N；所述的轴套3、内安装套4、安装锁母6为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09棒材材料。
图4为本发明技术解决方案的上轴承套定子系统剖视图，上轴承套定子系统主要包括：外上扇形磁钢7、外上安装套8、上轴承套9。外上扇形磁钢7位于车轴1的正上方和内环形磁钢5的径向外侧，外上安装套8位于外上扇形磁钢7的径向外侧，外上扇形磁钢7和外上安装套8安装于上轴承套9扇形槽径向内侧。所述的外上扇形磁钢7为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，充磁方向为径向充磁，具体方向为：外S内N(内环形磁钢5充磁方向为外N内S时)或者外N内S(内环形磁钢5充磁方向为外S内N时)；所述的外上安装套8、上轴承套9为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09棒材材料；所述的上轴承套9通过螺栓与高速列车构架固联；所述的外上扇形磁钢7圆心角约为120°到150°。
图5为本发明技术解决方案的下轴承套定子系统剖视图，下轴承套定子系统主要包括：外下扇形磁钢10、外下安装套11、下轴承套12。外下扇形磁钢10位于车轴1的正下方和内环形磁钢5的径向外侧，外下安装套11位于外下扇形磁钢10的径向外侧，外下扇形磁钢10和外下安装套11安装于下轴承套12扇形槽径向内侧。所述的外下扇形磁钢10为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料，充磁方向为径向充磁，具体方向为：外N内S(内环形磁钢5充磁方向为外N内S时)或者外S内N(内环形磁钢5充磁方向为外S内N时)；所述的外下安装套11、下轴承套12均为导热性能较好的硬铝合金2A12或超硬铝合金7A09棒材材料；所述的上轴承套9和下轴承套12通过螺栓连接。所述的外下扇形磁钢10的圆心角约为120°到150°。
图6为本发明技术解决方案的两种充磁方案下的磁路示意图，车轴1位于内环形磁钢5径向内侧，外上扇形磁钢7位于车轴1的正上方和内环形磁钢5的径向外侧，外下扇形磁钢10位于车轴1的正下方和内环形磁钢5的径向外侧，内环形磁钢5和外上扇形磁钢7之间形成上气隙14，内环形磁钢5和外下扇形磁钢10之间形成下气隙15。当内环形磁钢5充磁方向为外N内S时，外上扇形磁钢7充磁方向为外S内N，受到内环形磁钢5对其产生的方向向上的斥力；外下扇形磁钢10充磁方向为外N内S，受到内环形磁钢5对其产生的方向向上的吸力。当内环形磁钢5充磁方向为外S内N时，外上扇形磁钢7充磁方向为外N内S，同样受到内环形磁钢5对其产生的方向向上的斥力；外下扇形磁钢10充磁方向为外S内N，受到内环形磁钢5对其产生的方向向上的吸力。
图7为本发明技术解决方案的受力分析示意图，根据图6，当内环形磁钢5充磁方向为外N内S时，外上扇形磁钢7充磁方向为外S内N，因此，内环形磁钢5和外上扇形磁钢7之间产生斥力，即外上扇形磁钢7受到竖直向上的斥力F1，内环形磁钢5受到竖直向下的相反力F1＇，其中外上扇形磁钢7和外上安装套8安装于上轴承套9，因此上轴承套9受到竖直向上的力F1；外下扇形磁钢10充磁方向为外N内S，因此，内环形磁钢5和外下扇形磁钢10之间产生吸力，即外下扇形磁钢10受到竖直向上的吸力F2，内环形磁钢5受到竖直向下的相反力F2＇，其中外下扇形磁钢10和外下安装套11安装于下轴承套12，因此下轴承套12受到竖直向上的力F2；上轴承套9和下轴承套12通过螺栓连接行成安装套组件，因此，安装套组件受到的合力为F1+F2。
需要注意的是，本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术；本申请公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种高速列车转向架混合支撑装置，包括车轴(1)和套装在车轴(1)上的双列圆锥滚子轴承(2)，在双列圆锥滚子轴承(2)相邻处，在车轴(1)上依次套设有轴套(3)和磁悬浮轴承，轴承套(9、12)覆盖盖双列圆锥滚子轴承(2)、轴套(3)和磁悬浮轴承；
其特征在于：所述的磁悬浮轴承主要包括：内安装套(4)、内环形磁钢(5)、外上扇形磁钢(7)和外上安装套(8)；内安装套(4)套设在车轴(1)上，内环形磁钢(5)位于内安装套(4)上；外上扇形磁钢(7)、外上安装套(8)和上轴承套(9)依次从下向上设置在内环形磁钢(5)上，内环形磁钢(5)和外上扇形磁钢(7)之间留有上气隙(14)；内环形磁钢(5)和外上扇形磁钢(7)之间的磁极相同，形成磁力相斥的一个磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承位于车轴上方；
所述的磁悬浮轴承主要包括：内安装套(4)、内环形磁钢(5)、外下扇形磁钢(10)和外下安装套(11)；内安装套(4)套设在车轴(1)上，内环形磁钢(5)位于内安装套(4)上；外下扇形磁钢(10)、外下安装套(11)和下轴承套(12)依次从上向下设置成与内环形磁钢(5)左右对齐，内环形磁钢(5)和外下扇形磁钢(10)之间留有下气隙(15)；内环形磁钢(5)和外下扇形磁钢(10)之间的磁极相反，形成磁力相吸的一个磁悬浮轴承，该磁悬浮轴承位于车轴下方；
所述的内环形磁钢(5)、外上扇形磁钢(7)和外下扇形磁钢(10)均为径向充磁，充磁方向为：内环形磁钢(5)外N内S，外上扇形磁钢(7)外S内N，外下扇形磁钢(10)外N内S；或者内环形磁钢(5)外S内N，外上扇形磁钢(7)外N内S，外下扇形磁钢(10)外S内N；以上充磁方向全部相反亦可。
2.根据权利要求1所述的高速列车转向架混合支撑装置，其特征在于：所述的外上扇形磁钢(7)和外下扇形磁钢(10)的圆心角约为120°到150°。
3.根据权利要求1所述的高速列车转向架混合支撑装置，其特征在于：所述的上气隙(14)和下气隙(15)大小约为0.5mm。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的高速列车转向架混合支撑装置，其特征在于：所述的内环形磁钢(5)、外上扇形磁钢(7)和外下扇形磁钢(10)为钕铁硼合金或衫钴合金硬磁材料。
5.一种高速列车转向架，包括轮对和转向架构架，其特征在于，在轮对的车轴上设置有权利要求1至4任意一项所述的高速列车转向架混合支撑装置。
6.根据权利要求5所述的高速列车转向架，其特征在于，在车轴(1)的左右两侧分别设置有对称的混合支撑装置。
7.根据权利要求5所述的高速列车转向架，其特征在于，所述的上轴承套(9)和下轴承套(12)通过螺栓与转向架构架固定连接。
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