CN201326645Y - 用极限设计和长寿命技术研制的高速客车圆锥滚子轴承 - Google Patents

Abstract

用极限设计和长寿命技术研制的高速客车圆锥滚子轴承。为解决高速客车轴承的可靠性，采用一个双列外圈和两个单列内圈的双列圆锥滚子轴承；并设有高强度塑料保持架；两外端面安装的冲压密封件；两内圈的止推挡边母线为直线等长寿命技术；大大提高承受的轴向力。在轴承内径d为130mm、轴承外径D为240mm、轴承高度H为160mm时，按发明人首创提出的极限设计技术确定了轴承滚子直径Dw，滚子长度L、每列周向滚子数量Z及接触角α等的优化数值，由此与现有圆柱滚子轴承比，额定动载荷增大为1.176倍，额定寿命增大1.7202倍，即在相同载荷、相同可靠性条件下，行车里程由原75.036万公里提高到129万公里。可用作350km/h及以上高速铁路客车轴承。

Description

用极限设计和长寿命技术研制的高速客车圆锥滚子轴承

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种用于铁路高速客车的轴承。属轴承类和车轮类。

(二)背景技术：

发展高速铁路运输已定为国家政策。我国通过四次提速，客运列车时速超过160km/h的通车里程已近10000km。但迄今为止，凡大于200km/h的客车轴承均全部依赖进口，同时京沪高速客运专线的车速将达到最高350km/h。为免除完全依赖进口造成的国家安全隐患，350km/h(每小时350公里)高速客车轴承的研制已被列为科技攻关项目。

现有200km/h客车采用的是双列短圆柱滚子轴承，见图3，一个双列外圈1w，一个双列内圈5w，双列圆柱滚子2w，保持架3w，两端面有密封件6w，一个边挡圈4w。外形D×d×H＝240×130×160。园柱滚子直径Dwe＝30，长度Lw＝48，每列滚子数Z＝16，滚子中心圆直径Dpw＝186，计算得的额定动载荷Cr为：Cr＝1.1×88.5(2×45.2)^7/9×16^3/4×30^29/27＝998.68KN。额定静载荷Cor为： $\mathrm{Cor}=44(1-\frac{30}{186})\×2\×16\×30\×45.2=1601.3\mathrm{KN}.$ 比较后得出：现有200km/h客车采用的双列短圆柱滚子轴承，存在如下问题：①未充分利用有效设计空间，所得额定动载荷低(Cr＝998.68KN)，可靠性为99％时的额定寿命仅为72.382万公里。②若双列短圆柱滚子轴承用于350km/h高速客车，每天运行20小时，则检修期为103.4天。③随着客车速度的提高，弯道上的离心力及直道上的侧倾冲击力也会相应增加。圆柱滚子轴承具有极限转速较高的优势，但轴向承载能力较弱。为适应铁路车辆转弯时的离心力及侧摆力，仅管现已对圆柱滚子轴承稍作改进，如：将圆柱滚子作成球面端面，将内、外圈挡边母线作成向外带小角度的(几分至十几分)直线，但承受轴向的能力仍然较弱，难以保证高速客车高可靠性的要求。由此为满足高速客车可靠性要求，应选择和研发更优化的客车轴承。

(三)发明内容：

本实用新型提供的用极限设计和长寿命技术研制的高速客车圆锥滚子轴承，其目的是为满足高速客车的可靠性要求，改换现有和传统的圆柱滚子轴承，提供更可靠的轴承型式和更优化的轴承主参数。

本实用新型要实现上述目的所采用的技术方案如下：用极限设计和长寿命技术研制的高速客车圆锥滚子轴承，具有外圈、内圈和两者间的滚子；轴承内径d、轴承外径D、轴承高度H为表1中数值，其特征是：

A.所述外圈为一个双列外圈1；所述内圈为由内隔离环4隔开的两个单列内圈2，内、外圈间高度方向上设两列圆锥滚子2，每列周向滚子数量为Z；

B.支撑圆锥滚子的保持架3采用高强度塑料保持架；

C.轴承两外端面装冲压密封件6；

D.两内圈2的止推挡边母线5.1为直线；

E.轴承内径d、轴承外径D、轴承高度H保持表1中数值，轴承滚子直径Dw、滚子长度L、每列滚子数量Z以及外圈滚道与滚子母线的接触角α取值范围分别为表1的数值范围            表1

为获取上述双列圆锥滚子轴承的最佳效果，表1中轴承的滚子直径Dw，滚子长度L，每列滚子数量Z以及接触角α°数值取表2中数值。即为表1中删去公差只有公称尺寸的数值。            表2

若结构要素采用表2数值，则可获得的轴承额定静载荷和额定动载荷取值如表3                表3

上述圆锥滚子滚动表面母线O1O₂可采用带凸度的对数曲线2.1。上述内、外圈和滚子可选用真空脱气一电渣重熔的G20Cr2Ni4A钢材；滚子用冷拔圆钢。

本实用新型有益效果：

1)经研发的结果：对350km/h速度高速客车轴承选用上述结构的双列圆锥滚子，与现有的双列圆柱滚子结构相比，用同一种方法确定的主参数，额定动载荷、额定寿命是相近的，但承受轴向力的能力差异很大。圆锥大大高于圆柱。圆柱滚子轴承具有极限转速较高的优势，但轴向承载能力较弱。为适应铁路车辆转弯时的离心力及侧摆力，将滚子作成球面端面，将套圈挡边母线作成向外带小角度的(几分至十几分)直线，但其承受轴向的能力仍远不如圆锥滚子轴承大，因此，只要圆锥滚子轴承的转速能达到高速客车的要求，从高可靠性考虑，客车轴承首选圆锥滚子轴承是一种优化的设计。也能承受铁路车辆高速转弯时的离心力及侧摆力。

2)用极限设计专有技术确定的优化结构要素尺寸，大幅度提高轴承额定动载荷和静载荷。百余年来，滚动轴承的设计都是先定滚动体尺寸，计算到内、外圈受力最薄处，再以壁厚、宽(高)度系数验算，小于其值则减小滚动体尺寸再算，大得过多则增大滚动体尺寸再计算，如此往复计算以求得轴承最大的额定动载荷值，当前轴承行业以计算机所作的优化设计都是按此方法完成的。由发明人独创的极限设计则以逆向思维方式，先确定内、外圈的壁厚及档边的宽度，重新为各类轴承推算出计算滚动体及主参数的相应公式，使滚动体尺寸无限趋近内、外圈所定的设计边界(此即数学极限)，此方法充分挖掘了轴承的有效设计空间，大幅度提高了轴承的额定载荷，其值见表3。具体比较如下：本实用新型采用的双列圆锥滚子轴承结构，在不改变外形尺寸的条件下，用极限设计方法算得的Dwe＝32.3325，LW＝53.3，Z＝16，Cr＝1175.178KN≈1175KN，Cor＝1887.665KN≈1887KN.与现有双列圆柱比较，其额定动载荷比Kc为： $\mathrm{Kc}=\frac{1175.178}{998.68}=1.176731285;$ 额定寿命比K_L为：K_L＝Kc^10/3＝1.7202。即本实用新型的额定寿命较原用轴承提高了72％，故在相同载荷、相同可靠性条件下，其行车里程由原75.036万公里提高到129万公里，达到高可靠长寿命的要求。

此新的设计于1988～1994年间历经公式推证、理论分析、试验研究三项省、部级课题的完成，得以充实、完善，使此项研究处于国际领先水平，开发生产的各类近千品种的升级换代重型轴承产品，其额定载荷均达到或超过了瑞典SKF公司、德国FAG公司的水平。加上采取了一系列提高轴承寿命的有效措施，使重型轴承的使用寿命超过日本，与SKF、FAG、Timken等公司的轴承相当。为研发要求高可靠性的350km/h高速客车用轴承打下了坚实的基础。

3)本实用新型采用发明人首创的长寿命专有技术，使轴承疲劳寿命大幅提高。设计采用结构形状和材料如下：①圆锥滚子2滚动表面母线O₁O₂采用带凸度的对数曲线2.1见图2，在x轴方向由-L/2～L/2，其凸度增量变化在Y轴方向用q(N/mm)的值表示。在消除边缘应力同时，使应力分布均匀，成倍提高轴承的疲劳寿命。②内、外圈和滚子选用真空脱气一电渣重熔的G20Cr2Ni4A钢材，在润滑良好的条件下，疲劳寿命可成倍提高。滚子采用冷拔圆钢，内外圈采用相应工艺，提高材料的緻密度，可提高轴承的疲劳寿命。

4)为满足客车轴承高速运行需要，本实用新型设计结构形状和材料如下：①两内圈止推挡边母线5.1为直线(即直挡边设计)，减少运行中与滚子球基面间摩擦，提高润滑能力，降低摩擦发热，提高高速性能。②保持架7采用高强度塑料；提高高速性能。③轴承两外端面安装冲压密封件6。

5)下面用本实用新型高速铁路轴承与现有重载高速轧机轴承比较，可以得出本实用新型双列圆锥轴承达到350km/h的速度是毫无问题的。

武钢、鞍钢、首钢、本钢、济钢等热连轧机、冷连轧机、中板、中厚板等近30条线配套的轧机工作辊、支承辊轴承，在重载下其轧钢速度在12～24m/s之间，以武钢1700热连轧机为例，其最高轧制速度为24m/s，工作辊直径为Φ860，所用带密封的四列圆锥滚子轴承中径dm＝555.6mm，轴承转速为n＝533rpm，反映轴承转速性能的dm.n＝296134mm.r，该轴承在水冷条件下使用，在室温为28℃时，轴承及轴承座的温度≤50℃。

350km/h高速铁路轴承，其外形尺寸D×d×H＝240×130×160，取带密封的双列圆锥结构，车轮直径为Φ915，计算时取为Φ900，则转速 $n=\frac{350000}{60\mathrm{\π}\×0.9}=2063\mathrm{rpm},$ 轴承中径dm＝186，则dm.n＝383718mm.r，此值比轧机轴承的dm.n值提高29.5758％，但轧机轴承为四列圆锥，承受重载，尺寸是铁路轴承的3倍，加上运行温度≤50℃，综合考虑上述因素及采用减少摩擦的相应措施，使双列圆锥轴承达到350km/h的速度是毫无问题的。

(四)附图说明

图1本实用新型客车圆锥滚子轴承结构图

图2圆锥滚子表面母线O₁O₂采用的带凸度的对数曲线2.1图示

图3现有客车采用的双列圆柱滚子轴承结构

(五)具体实施方式

见图1和表2中用极限设计和长寿命技术研制的高速客车双列圆锥滚子轴承，具有一个双列外圈1和由内隔离环4隔开的两个单列内圈5，内、外圈间设两列圆锥滚子2，每列周向滚子数量为Z；圆锥滚子2由高强度塑料保持架3支撑；轴承两外端面装冲压密封件6；两丙圈2的止推挡边母线5.1为直线。轴承内径d为130mm，轴承外径D为240mm，轴承高度H为160mm与现有客车双列圆柱滚子轴承相同(见图3)，即为表2中数值，用极限设计确定的主参数值如下：滚子直径Dw为32.3325mm，滚子长度L为53.3mm，每列周向滚子数量为Z为16，外圈滚道与滚子母线的接触角α为11°18′。见表3，对应上述主参数，轴承的额定静载荷Cor为1887KN；额定动载荷Cr为1175KN。

内、外圈和滚子选用真空脱气一电渣重熔的G20Cr2Ni4A钢材。滚子用冷拔圆钢。见图2，圆锥滚子2滚动表面母线O₁O₂(见图1)采用带凸度的对数曲线2.1，在横座标x轴方向由-L/2～L/2，其凸度增量变化在纵座标Y轴方向用q(N/mm)的值表示：其中q(N/mm)是滚子接触压力线密度；其中长度L为圆锥滚子2的长度，中心点为O(见图1)。即滚动表面母线O₁O₂在长度L范围内的形状，为带凸度的对数曲线2.1，也是滚子接触压力线密度q(N/mm)的分布曲线2.1。

Claims (5)

1.用极限设计和长寿命技术研制的高速客车圆锥滚子轴承，具有外圈、内圈和两者间的滚子；轴承内径(d)、轴承外径(D)、轴承高度(H)为表1中数值，其特征是

A.所述外圈为一个双滚道外圈(1)；所述内圈为由内隔离环(4)隔开的两个单列内圈(5)，内、外圈间沿高度方向上设两列圆锥滚子(2)，每列周向滚子数量为Z；

B.支撑圆锥滚子的保持架(3)采用高强度塑料保持架；

C.轴承两外端面安装冲压密封件(6)；

D.两内圈(5)的止推挡边母线(5.1)为直线；

E.轴承内径(d)、轴承外径(D)、轴承高度(H)保持表1中数值，轴承滚子直径(Dw)、滚子长度(L)、每列滚子数量Z以及外圈滚道与滚子母线的接触角(α)取值范围分别为表1的数值范围。                                    表1

2.按权利要求1所述圆锥滚子轴承，其特征是轴承的滚子直径(Dw)、滚子长度(L)、每列滚子数量Z以及外圈滚道与滚子母线的接触角(α)的数值为表2中数值。

表2

3.按权利要求2所述圆锥滚子轴承，其特征是轴承额定静载荷和额定动载荷取值如表3。

表3

4.按权利要求1所述圆锥滚子轴承，其特征是圆锥滚子(2)滚动表面母线(O1O2)采用带凸度的对数曲线(2.1)。

5.按权利要求1所述圆锥滚子轴承，其特征是内圈、外圈和滚子选用真空脱气-电渣重熔的G20Cr2Ni4A钢材；滚子采用冷拔圆钢。

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