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地铁车辆轴箱轴承的设计

文档作者：曾献智孙立明郭向东叶亚飞孙盼盼文档来源： 1．洛阳轴研科技股份有限公司 2．洛阳拖拉机研究所有限公司			点击数：
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兰 = !
CN4l一1148／TH
轴承2O14~1z6期
Bearing 2014．No．6
．．I产品设计与应用
地铁车辆轴箱轴承的设计
曾献智 ，孙立明 ，郭向东 ，叶亚飞 ，孙盼盼
(1．洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳471039；2．洛阳拖拉机研究所有限公司，河南洛阳471039)
摘要：针对某型地铁车辆轴箱轴承的工况条件和使用要求，从结构、材料、润滑、性能等多方面进行了详细的分
析。结果表明，所设计的双列圆柱滚子轴承的承载能力、速度性能、寿命及可靠性均满足该型地铁车辆的运行
要求。
关键词：地铁车辆；轴箱轴承；双列圆柱滚子轴承；设计；性能分析
中图分类号：TH133．33 2 文献标志码：B 文章编号：1000—3762(2014)06—0001—04
Design of Axle Box Bearings for Underground Train
Zeng Xianzhi ，Sun Liming ，Guo Xiangdong ，Ye Yafei ，Sun Panpan
(1．Luoyang Bearing Science＆Technology Co．，Ltd．，Luoyang 471039，China；2．Luoyang Tractor Research
Institute Co．，Ltd．，Luoyang 471039，China)
Abstract：According to the working conditions and performance requirements for axle box bearings of an underground
train，the detailed analysis aye carried out from such aspects as the structure，material，lubrication and perform an ce．
The results indicate that the carrying capacity，speed performance，life and reliability of double row cylindrical roller
bearings meet the operating requirements of this underground train．
Key words：underground train；axle box bearing；double row cylindrical roller bearing；design；perform ance analysis
随着经济的发展和社会的进步，交通问题成
为制约我国城市发展的瓶颈。地铁因具有占用土
地少、运输效率高等优点，成为解决城市交通问题
的有效途径，近年来取得长足的发展。随着投入
运营的地铁车辆及其通车里程的不断增加，对车
辆轴箱轴承的需求和消耗也将大增。为支撑国内
蓬勃发展的轨道交通产业，实现地铁车辆轴箱轴
承的国产化配套，开展地铁车辆轴箱轴承的设计
开发及相关技术研究十分必要。在此针对某型地
铁车辆用轴箱轴承，根据其工况条件和使用要求，
采用系统化和个性化设计理念对其进行分析。
常速度80 km／h，最高速度120 km／h，车辆轮轴载
荷142．1 kN，车轮平均直径D =805 mm(新轮／全
磨耗轮840／770 mm)；轴承外形尺寸qOl20 mm×
q~215 mm×146 mm，滚子组内复圆直径141．5
mm，最大轴向载荷56．84 kN，最高工作温度
70 c【=，脂润滑，99％可靠性的寿命为120×10 km。
地铁车辆对该轴承的转速性能要求不高，但
车辆的超载、频繁启停和高安全性的运行条件又
对轴承提出很高的要求和挑战，因此设计时需在
轴承承载能力、寿命、可靠性及润滑等方面采取有
针对性的对策。
1 工况条件 2 轴承结构
地铁车辆与铁路车辆运行特点虽有很多相似
之处，但仍有其特殊之处，如地铁列车启停频繁、
运行间距和持续运行时间短等。设计的地铁车辆
轴箱轴承的工况条件和使用要求为：车辆运行正
收稿日期：2013—10—29；修回日期：2013—12—28
地铁车辆轴箱轴承依车型不同可选择不同的
结构类型，如2套圆柱滚子轴承组合型、双列圆锥
滚子轴承型和双列圆柱滚子轴承型，如图1～图3
所示。由于地铁列车运行速度不高，转弯时离心
力作用于轴承上的轴向载荷相对较小，圆柱滚子
轴承就可以满足使用要求¨J。考虑车辆轴箱结构
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· 2· 《轴承))2014．No．6
和轴承结构的紧凑性，在此选择双列圆柱滚子轴
承结构(图3)。
。
I l
、 7／／／／／／／／
图1 2套圆柱滚子轴承组合型轴箱轴承
图2 双列圆锥滚子轴承型轴箱轴承
1一错封益；2一半挡圈；3一滚子；4一中隔豳；5一保特架；
6一内圈；7一外圈
图3 双列圆柱滚子轴承型轴箱轴承
该轴承外圈为整体式双滚道结构，仅带1个
中挡边，与传统3挡边结构相比，结构更加简单，
安装拆卸也更加方便。内圈为整体式单滚道结
构，带1个挡边。内、外圈挡边与平挡圈的简单结
构配置即可实现承受双向轴向载荷的功能。中隔
圈置于2列滚子中间，起引导滚子的作用。保持
架采用滚子引导的整体式青铜保持架。外圈两端
设置密封槽，安装金属密封盖。此结构双列圆柱滚
子轴承可承受较大的径向和轴向联合载荷，整体强
度高，结构简单、紧凑，加工、安装和拆卸方便。
3 轴承设计
3．1 材料
地铁车辆运行中会产生冲击载荷，因此，轴承
零件应采用抗冲击性能好的材料，同时还要兼顾
轴承的寿命和可靠性，以满足车辆运行的安全性
要求。鉴于此，内、外圈和平挡圈材料采用
GCrl8Mo电渣重熔钢，采用贝氏体等温淬火工艺
获得下贝氏体组织，具有良好的韧性，可提高轴承
的抗冲击性能、寿命及可靠性。滚子材料采用
GCrl5电渣重熔钢，采用马氏体淬回火工艺获得马
氏体组织，具有较高的抗接触疲劳强度，可提高轴
承的寿命及可靠性。中隔圈不承受轴向载荷，因
此，其材料采用GCrl5钢，采用马氏体淬回火工艺
即可满足要求。保持架材料采用青铜，密封盖材
料采用08A1。
3_2 主参数
轴承主参数的优化设计是在有限的几何空间
内，通过目标函数的建立、约束条件的确定和优化
问题的求解，以获取轴承的最优主参数组合，达到
设计所追求的目标。由于轴承转速不高，承受载
荷较大，安全性要求较高，因此优化设计以额定动
载荷为目标函数，在追求承载能力最大化的同时，
兼顾轴承的整体强度、寿命及可靠性。优化设计
的数学模型为
min／(X) = 一bmfc(iL ) Z D2 9 ／
gl( ) =L 一KLB／2≤0
g2(X) = 一 +D ≤0
g3(X)=一D +(d+D)／2一F ≤0 ，
g4(X) =D 一(d+D)／2+F 一K ≤0
g5(X) =1．3ZD 一 (F +1．5D )≤0
g6( ) = 一1．3ZD +订(d+D)／2≤0
式中： 为滚子公称长度；D 为滚子直径；i为滚子
的列数；z为每列滚子数；d为轴承内径；D为轴承
外径； 为轴承宽度；F 为滚子组内复圆直径；b ，
．
． 分别为与轴承材料和结构相关的系数；K 为滚
子长度约束系数，通常取0．6—0．75；K 为滚子组节
圆直径外移量，通常Ko=0～0．015 5(d+D)／2。
经优化求解可得，轴承的主参数为：D =26
mm ，L = 50 mm ，Z = 16 。
3．3 结构参数
3．3．1 游隙
游隙是轴承的一个重要结构参数，对轴承的
运转性能、承载能力、寿命及可靠性有重要影
响 J。游隙设计应依据轴承具体的工况特点，考
虑安装配合、温升效应、接触变形等对游隙的影
响，最终使轴承处于最佳工作游隙状态 J。经理
论计算并参考相关工程实践经验，得出该轴承设
计的游隙为0．12～0．17 mm。
3．3-2 套圈挡边与滚子端面匹配设计
地铁车辆在行驶过程中，因车辆转弯产生的离
心力会使轴承承受轴向载荷。轴承工作中套圈挡
边与滚子端面为滑动接触，两者间的摩擦发热是制
约轴承轴向承载能力的关键。理论和试验研究表
明，斜挡边和球基面的匹配能够减小接触摩擦副的
摩擦，提高轴承的轴向承载能力。基于这一理念，
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《轴承)2014．No．6
3．6 润滑
地铁车辆的安全性对轴承可靠性提出很高
的要求，因此，轴承的可靠润滑至关重要。轴承
可靠润滑除选用恰当的润滑脂外，还与轴承的载
荷、转速及温度等相关。所设计的地铁车辆轴箱
轴承具有频繁启停、区间运行时间短的工况条
件，使得滚子和滚道间难以形成稳定的润滑油
膜，因此，轴承大部分时间处于边界润滑状态，很
难实现可靠润滑。由于轴承工况条件的特性，润
滑脂性能指标的改善很难满足工况要求，为此采
用添加固体润滑颗粒的润滑脂，在轴承难以形成
润滑油膜时，固体润滑颗粒可以实现轴承的润
滑，保证轴承可靠润滑。地铁车辆运行速度不
高，对润滑脂的填脂量没有严格要求，此处设计
的填脂量为250 g。
4 性能分析
4．1 承载能力及寿命
4．1．1 径向基本额定动载荷
根据GB／T 6391-2003，该轴承的径向基本额
定动载荷为
C =6 (iL 。) ／9z ／4D2 9 ／卯=897 kN。
4．1_2 径向基本额定静载荷
根据GB／T 4662-2003，该轴承的径向基本额
定静载荷为
，)
c0 =44(1一 )iZL⋯D =1 485 kN，
／J
p
式中： 为滚子有效长度；D。 为滚子组节圆直径。
4．1-3 轴向承载能力
圆柱滚子轴承轴向承载能力的计算有多种计
算模型，如SKF模型、NSK模型等|9]，这里采用较
常用的SKF模型对设计轴承的轴向承载能力进行
计算评估。该轴承的许用最大轴向载荷为
F ： 一 ：P ：
一d kfzF ：68．1 kN ，
n( +D) 一 ’
式中：k。：1．5；k =0．15；凡为轴承转速，n=791
r／min(由车辆120 km／h的运行速度计算得到)；
P 为轴承当量载荷 为动载荷系数，取 =1．5；F
为轴承承受的径向载荷，为车辆轮轴载荷的一半。
列车运行时，作用在轴承上的最大轴向载
荷为56．8 kN，小于轴承设计的最大许用轴向
载荷。
4．1．4 寿命
根据GB／T 6391-2003和ISO 281：2007，轴
承可靠度99％的修正寿命为
Ll = 01aisoL1o= 153 × 10 km ，
式中：n。为可靠度系数，口。=0．25；a， 。为寿命修正
系数，采用ISO 281：2007计算方法得到口 =2。
计算表明，轴承能满足该型地铁车辆的运营检修
及寿命要求。
4．2 转速
轴承设计极限转速¨。 为
f
ni= = 1 248 r／rain，
m
式中 为轴承尺寸系数，查表取0．9；f2和 为轴
承载荷影响系数，查表分别取0．9，0．4；．厂4为轴承
结构优化影响系数，取1．5；A为轴承结构系数，查
表取430 000；D 为轴承平均直径。
从而可得列车运行最高速度为
= 60 × 10一-rrD n J= 189 km／h，
满足该型地铁车辆120 km／h的运营速度要求。
4．3 可靠性
轴承可靠性可以从材料及热处理质量、轴承
整体强度和润滑3个方面考虑_1 。在材料及热处
理方面，通过选择合适的材料和热处理工艺，可以
提高轴承的接触疲劳强度和抗冲击性能，从而提
升轴承的可靠性。在轴承整体强度方面，通过轴
承结构的优化设计，在提高轴承的承载能力和寿
命的同时，使轴承各零件强度合理匹配，不仅降
低了轴承提前失效的概率，而且改善了轴承内部
的应力状态，提高了轴承的整体强度和可靠性。
在润滑方面，采用添加固体润滑颗粒的润滑脂，
保证了轴承的可靠润滑，极大地提高了轴承的可
靠性。
5 结束语
文中针对地铁车辆的运行条件和要求，以典
型型号的车辆轴箱用双列圆柱滚子轴承为研究对
象，从轴承结构、材料、润滑、承载能力、速度性能、
寿命及可靠性等方面开展了系统的研究分析。而
高可靠性是地铁车辆轴箱轴承的核心技术特征。
针对这一技术特征，只有对轴承的基础理论、设计
开发及相关技术开展系统研究，突破关键技术，掌
握核心技术，形成整套技术，才能实现地铁车辆轴
箱轴承的国产化配套，支撑国内蓬勃发展的轨道
交通产业。
(下转第35页)

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