（车辆工程专业论文）铁路货车滚动轴承装置的研究.pdf

中文摘要 摘要：本文首先介绍了铁路货车滚动轴承的应用概况、基本类型和结构特点，并 对国内外滚动轴承圆锥滚子凸度、工程塑料保持架、迷宫式轴承密封装置、轴承 附件等的研究概况作了细致的总结。 然后，论文从理论上分析研究了母线轮廓为凸度的圆锥滚子的优点以及各种 不同的母线凸度形状的圆锥滚子在受不同载荷情况下的应力分布，阐述了圆锥滚 子表面为双曲线凸度在使用中的重要性。 第三，本文在借鉴了国外研究开发的铁路货车用滚动轴承工程塑料保持架先 进技术、国内铁路科研所对工程塑料保持架的研究，以及我国铁路货车装用的 s k f l 9 7 7 2 6 型滚动轴承工程塑料保持架成功经验，对工程塑料保持架的设计、选材、 工艺、性能评价及台架试验进行了深入的研究。 第四，本文在借鉴了我国铁路货车装用的s k f l 9 7 7 2 6 型滚动轴承密封装置经 验，对国内生产的货车滚动轴承密封装置的密封罩组件结构进行了优化设计。 第五，本文对铁路货车装用的滚动轴承轴承后挡现状进行统计、分析，论述 其产生的严重后果及隐患，提出轴承后挡生产、检修的技术、管理要求。 关键词：铁路货车；滚动轴承装置；优化设计 分类号：u 2 7 0 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sc h a p t e rf i r s ti n t r o d u c e sa p p l i c a t i o n , b a s i ct y p e sa n ds t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fr o l l e rb e a r i n g sa n dd e t a i l e ds u m m a r ya b o u tt h er e s e a r c ho f c y l i n d r i c i t y , e n g i n e e r i n gp l a s t i ch o l d i n gb r a c k e t ，l a b y r i n t hs e a la n da t t a c h m e n to ft a p e db e a t i n g i n s i d ea n do u t s i d eo fo u r c o u n t r y t h e n ，t h i sc h a p t e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g eo fc y l i n d r i c i t yo ft a p e db e a r i n ga n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n i nd i f f e r e n tl o a d so fd i f f e r e n tc y l i n d r i c i t yi nt h e o r y ，e m p h a s i z e dt h e i m p o r t a n c eo fc y l i n d r i c i t yi nu s e t h i r d l y , t h i sc h a p t e ru s e sr e f e r e n c ef o ra d v a n c e dt e c h n i q u eo fp l a s t i ch o l d i n g b r a c k e td e v e l o p e db yf o r e i g nc o u n t i e sa n dt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fo u rs k f19 7 7 2 6 b r a c k e t s w eh a v em a d ead e e pr e s e a r c hf o rd e s i g n ，m a t e r i a lc h o i c e , p r o c e s s ，f e a t u r e e v a l u a t i o na n ds t a g et e s to fp l a s t i cb r a c k e t f o u r t h l y ，t h i sc h a p t e ru s e sr e f e r e n c ef o r0 1 1 1 e x p e r i e n c eo fs k f l9 7 7 2 6b e a r i n gs e a l d e v i c et oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h es t r u c t u r eo fs e a lc o v e ra s s e m b l yp r o d u c e di nc h i n a f i f t h l y ，t h i sc h a p t e rm a k e ss t a t i s t i c s ，a n a l y s i s o nt h es t a t u so fb e a r i n g b a c k b o a r d ，i l l u s t r a t e st h es e r i o u sr e s u l ta n dh i d d e nt r o u b l e ，r a i s e st h ep r o d u c t i o n ， o v e r h a u lt e c h n i q u ea n dm a n a g e m e n tr e q u i r e m e n to f b e a r i n gb a c k b o a r d k e y w o r d s ：r a i l w a yf r e i g h tw a g o n ，r o l l e rb e a t i n gd e v i c e ，o p t i m a ld e s i g n c l a s s n o ：u 2 7 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 躲l 孙讼 签字同期：驯年，月1 0 日 导师签名： 侮隶 签字日期：2 西必年q 月7 崎日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 怒签字同期：删 年，月细日 致谢 本文是在导师北京交通大学机电学院何庆复教授和副导师沈阳铁路局锦州车 辆段刘玉林高级工程师的细心指导下完成的，在整个论文的构思与进展过程中， 作者得到了两位导师诸多方面的指导和帮助。三年多来，何老师认真负责、平易 近人和耐心施教的工作态度，使我终身受益。在此，谨向何老师和刘高工表示我 衷心的感谢。 在作者论文完成过程中，本人还得到了四方车辆研究所刁克军高级工程师、 吉林车辆段陈丽萍工程师、苏家屯车辆段王峻岭工程师、兰州西车辆段李黎工程 师、锦州车辆段李冰工程师等人的支持和帮助，在此也向他们表示衷心的谢意。 序 自1 8 8 0 年英国率先发明、生产轴承至今，滚动轴承越来越广泛应用于工业、 农业、交通运输、国防、航空航天、家用电器、办公机械和高科技等领域，全世 界大约有8 0 的轴承应用于工农业机械、汽车、铁道机车车辆、飞机等运输设备中； 滚动轴承作为铁道车辆走行部的关键部件，直接关系到车辆的运行安全；由于我 国铁路货车轴承化起步较晚，先后使用了多种型号的滚动轴承，纵观我国铁路货 车轴承化的发展历程，也是铁路货车专用滚动轴承在轴承结构、保持架改进、轴 承密封装置的改进、轴承润滑脂的优化、检修技术标准不断完善的发展史。 但由于我国铁路货车滚动轴承受到轴承密封装置、润滑脂、保持架、轴承附 件质量不高的影响，多次发生滚动轴承“热轴 、“热切 、“冷切 事故，不能满 足铁路货车使用要求。 为铁路运输企业适应国民经济快速发展的需要，随着铁路货车新技术、新材 料、新工艺的投入使用，我国铁路己连续经历了六次提速，客、货车的平均时速 较以前分别有了大幅度的提高，而在役的铁路货车滚动轴承，如3 5 2 2 2 6 1 2 - - 2 r z 型铁路货车滚动轴承，其生产制造、大修仍执行铁路货车大幅度提速、重载前设 计的参数与指标，其轴承滚子凸度及相关参数对轴承使用寿命确定、采取冷冲压 工艺的钢保持架、迷宫式密封装置失效、轴承后挡等附件违规装车使用严重威胁 铁路货车的行车安全，本文主要针对上述问题进行了分析、研究，在总结了我国 铁道车辆装用滚动轴承的研究和使用的基础上，进行了圆锥滚子表面双曲线凸度 及有关参数、工程塑料材质保持架、密封罩组件的结构的分析、设计与研究，以 及轴承后挡的生产、检修的技术、管理要求的探讨。 1绪论 列车运行速度、载重是衡量一个国家铁路现代化程度的重要标志，也是铁路 参与运输市场竞争的有力手段；随着铁路运输企业适应国民经济快速发展的需要， 我国铁路己连续经历了六次提速。客、货车的平均时速较以前分别有了大幅度的 提高。但是，我国与世界发达国家铁路的差距仍很大，当然，我国的国情、路情 与欧美发达国家有所不同。我国人均拥有铁路里程短、客货共线运行、旅客和货 物运输任务十分繁重，客货互争运力现象十分突出。中国铁路既不同于以货运重 载为主的美、加等国家，也有别于以客运高速为主的日、法、德等国家，而是既 要货运重载，又要客运快速，同时还要加大行车密度，来不断提高运输质量。所 以这对中国铁路的发展提出了更高的要求。为了缩小与世界发达国家铁路的差距， 适应国内运输市场的需要，铁道部从中国国情、路情的实际出发，提出了一系列 实现中国铁路高速化、快速化的战略决策，实现铁路跨越式发展。 滚动轴承是铁道车辆实现高速、重载的重要技术课题之一。为此，滚动轴承 装置的设计与制造始终是铁路部门关注的重点、科研部门的重要研究课题之一。 1 1 我国铁路货车专用滚动轴承的应用概况嘲 滚动轴承在中国铁路货车上应用较晚；在货车滑动轴承向滚动轴承转化初期， 滚动轴承主要采用进口、自行设计少量装车进行运行考验，1 9 7 8 年，滚动轴承开 始在新造、厂修货车上小批量装车运用、试验，当时滚动轴承的型号主要有9 7 7 2 0 、 19 7 7 2 0 、9 7 7 2 6 、1 9 7 7 2 6 和9 7 7 3 0 等。 在滚动轴承刚开始推广使用的初期，有轴箱短圆柱型轴承、无轴箱圆锥滚子 轴承、无轴箱短圆柱轴承等结构滚动轴承装置，在未能确定最适合我国环境要求 和线路要求的轴承型号情况下，铁道部采取了多种型号滚动轴承不同时间装车运 行试验，具体型号有9 7 7 2 0 、1 9 7 7 2 0 、9 7 7 2 6 、1 9 7 7 2 6 、9 7 7 3 0 、4 2 7 2 6 e t 、1 5 2 7 2 6 e t 、 1 7 2 7 2 6 t 、1 7 2 7 2 6 y t 、r c c ( 1 7 2 8 2 6 e ) 、f a g l 9 7 7 2 6 a 、n s k l 9 7 7 2 6 b 、n s k l 9 7 7 2 6 a 、 n t n l 9 7 7 2 6 c 等，通过装车运行试验，1 9 7 7 2 6 型滚动轴承成为我国铁路货车滚动轴 承的主型产品。 随着铁路货车新技术、新材料、新工艺的投入使用以及铁路货车提速、重载 的新要求，s k f l 9 7 7 2 6 型滚动轴承于1 9 9 7 年开始装车使用，3 5 2 2 2 6 x 2 - - 2 r z 型滚 动轴承于2 0 0 1 年开始装车使用，同时决定自2 0 0 2 年1 月1 日起停止生产原国产 1 9 7 7 2 6 型滚动轴承，目前，装用在2 1 t 轴重、运行速度为1 2 0 k m h 的滚动轴承主 要有3 5 2 2 2 6 x 2 2 r z 、s k f l 9 7 7 2 6 型，装用在2 5 t 轴重、运行速度为1 2 0 k m h 的 s k f 3 5 3 1 3 0 x 2 - - 2 r s 型滚动轴承已批准在国内生产，国产3 5 3 1 3 0 x 2 2 r z 型滚动轴 承正处于装车试验和进一步研究中，到目前为止，已基本实现滚动轴承化。 铁路货车装用滚动轴承与滑动轴承相比，具有如下优点：( 1 ) 滚动轴承摩擦系 数小，可提高机车的有效牵引力，滚动轴承的摩擦系数要比滑动轴承摩擦系数小 得多，所以，铁路货车装用滚动轴承可以大大减少车辆的启动阻力和运行阻力。 ( 2 ) 提高了车辆运行的安全性，滑动轴承的轴瓦与轴颈直接接触，接触面积大，工 作时磨损快，发热量大，且不易散发，因此，容易造成热轴事故；滚动轴承因磨 损小，发热量也小，且易散发，故可减少“热轴”、“热切 事故的发生率，保证 了行车安全。( 3 ) 滚动轴承转速高、承载能力大，铁路货车装用滚动轴承后，其装 载重量和允许运行速度都较装用滑动轴承时有显著提高。( 4 ) 缩短了检修时问，加 快了车辆周转，提高了车辆使用效率，使用滚动轴承的车辆，取取消了轴检，减 少了一级修程，延长了铁路货车检修周期，在一般情况下，装用滚动轴承的货车 在辅修时，仅对滚动轴承进行外观检查和转动检查，如无异常即可继续使用，使 用滑动轴承的车辆，由于轴检比较频繁，而且检修时间较长，直接影响车辆的使 用效率。( 5 ) 降低了铁路货车运营成本，节省了大量的油脂、白合金等材料，滚动 轴承在j 下常使用情况下，只在滚动轴承装车使用达到规定年限后，才进行退卸进 行一般检修、返厂大修或报废，而滑动轴承的车辆，每6 个月进行一次轴检，并 更换油脂、轴瓦。( 6 ) 使用方便，维护简单滚动轴承的生产制造和维修都己实现 专业化和标准化，且有很高的互换性，轴承的调整、维护、润滑、安装、拆卸等 都很方便，因此，滚动轴承在铁路车辆中得到广泛应用。 1 2 铁路货车滚动轴承的基本类型和结构特点n 2 1 6 3 1 2 1 国外货车滚动轴承的基本类型n 1 国外铁路车辆所采用的滚动轴承，从轴承类型上大致分为三种，即：圆柱滚子 轴承、调心滚子轴承和圆锥滚子轴承。其中无轴箱双列圆锥滚子轴承使用最多。 也有些国家为了使用、维护和管理上的方便，客、货车轴承是通用的，没有客、 2 货车轴承之分。 1 2 2 我国铁路货车滚动轴承的基本类型口叼 我国铁路货车现装用的滚动轴承主要是无轴箱双列圆锥滚子轴承，其结构型 式见图1 1 。 7 2 3 1 一双列圆锥滚子轴承；2 一前盖；3 一后挡；4 一螺栓；5 一防松片； 6 一施封锁；7 一标志板； 图1 1 无轴箱双列圆锥滚子轴承 1 2 3 铁路货车无轴箱双列圆锥滚子轴承的结构特点n 2 3 a 轴承内有双列圆锥滚子，因此承受径向负荷的能力较强，也可以同时承受以 径向负荷为主的径向、轴向联合负荷。 b 游隙调整简便，在调整轴承游隙时，只要改变内部的中隔圈厚度尺寸，即可 获得所需要的游隙值( 轴向游隙) 。 c 该结构轴承自带密封装置，以防止内部油脂泄露和外界尘砂、水分的入侵。 d 在轴承制造过程中，轴承内部己填入一定量的润滑脂，所以在轴承安装时不 需要清洗和添加润滑剂，可以直接将轴承装在车轴上。 除此之外，为了适应铁路货车使用要求，对滚动轴承各外露零件的表面均进 行磷化处理，以达到防锈的目的。磷化处理还具有改善轴承内部润滑条件的效果。 采用该结构轴承后，减轻了车辆的簧下重量，给轴承的安装、拆卸、维护保 养等都带来了方便。自批量装车后，运行情况良好。目前该结构轴承在我国铁路 3 货车车辆上己得到广泛的应用。 1 3 滚动轴承圆锥滚子凸度研究的发展概况啦脚呦1 1 3 1 滚动轴承滚子概述 滚子是滚动轴承中的滚动体，理论上它与滚道的接触是线接触，所以滚子可 承受较大的负荷。轴承工作时，滚子的主要运动是本身的自转和绕滚道的公转。 实际使用和试验均表明滚子是滚动轴承中最薄弱的零件，滚子的设计水平对滚动 轴承的工作性能( 如旋转精度、振动、噪声和灵活性等) 有很大的影响。我国目前 生产的滚动轴承的质量一般要比国外一些大型轴承公司生产的要低，国外大型轴 承公司生产的滚动轴承的试验寿命为设计寿命的5 8 倍，而我国生产的滚动轴承 的试验寿命为设计寿命的2 - 3 倍，而圆锥滚子轴承的试验寿命则更低，这与轴承 材料、加工工艺、设计水平等诸多因素有关，从国内滚动轴承失效形式来看，滚 子占较大的因素。从有关试验分析得知滚予与套圈对轴承振动的影响比例为7 ：2 ：1 ， 可见滚子对滚动轴承使用寿命影响之大。 在目前铁路货车滚动轴承中，应用较多的是凸度滚子轴承，因为凸度滚子较 好地解决了滚子在轴承运转中的应力分布，延缓滚子边缘疲劳失效，使轴承的使 用寿命在同等的条件下比直母线滚子提高1 - 2 倍。因此，正确设计的滚动体表面 形状是保证轴承质量的重要工作之一。 1 3 2 滚子具有凸度形状的机理 使用经验和研究表明，圆锥滚子轴承常常因滚子的疲劳剥落而导致整套轴承 报废。而且，滚子的疲劳剥落都是从两端边缘开始的，这是由于工作时滚子的边 缘处有应力集中现象所致。 理论分析和实验测定表明，滚子在边缘上产生的接触应力集中主要是由于以 下两个原因引起的。一个是由于工作中，滚子承受载荷在两边缘处，接触应力很 大，变形也很大，而且变化十分悬殊，这就是所谓的边缘效应。如图1 2 所示。 工律医力 图1 2 边缘效应示意图 4 长艘皮力分布 在这种情况下，边缘处最大应力0m a x l 和0m a x 2 要比滚子中部应力大好几倍， 边缘效应范围为l 。和l ：，计算表明l 。和l 。约为滚子母线总长度的0 0 7 - 0 1 6 倍。 另一个是由于多种因素的影响，造成套圈偏斜，一般偏斜时的应力要比计算的大 卜2 倍，但滚子边缘应力集中的主要原因，还是边缘效应的作用对边缘效应可以 做一直观解释，如图1 3 所示。受挤压后滚子下面的滚道材料受压变形，滚子以 外的滚道材料无受压变形，使位于滚子两端的滚道材料处于拉伸状态，增加了抵 抗压缩变形的能力，压缩变形较小。因此，当滚子和套圈之间产生趋近量时，滚 子两端变形量必然要大些，这就可以理解为边缘应力集中。 图1 3 边缘效应的直观解释图 应力集中将严重影响滚动轴承的承载能力和疲劳寿命。降低以至消除这种应 力集中的有效途径是改变滚子的母线形状，把滚子两边处直径减小一些，采用带 凸度的滚子。如图1 4 为凸度圆锥滚子的接触受力情况，可以看出，滚子边缘受 力情况得到了很好的改善，将这种凸度滚子装入轴承中可提高轴承寿命1 - 2 倍。 嗌予盛盥口 接触蘸 中j 靠接触后变形童母巍臻醯经缎密。匀分耄f 边缘还来接魅辫 图1 4 凸度圆锥滚子接触受力图 1 3 3 国外铁道车辆专用滚动轴承的滚子凸度研究的发展概况 2 0 世纪5 0 年代末，美国和欧洲发达国家通过大量试验和理论分析，证明轴承 滚子表面带有凸度，能较好的解决滚子在运转中的应力分布，延缓滚子边缘疲劳 失效，使轴承的使用寿命在同等工作条件下，比直母线滚子提高1 - 2 倍。 5 2 0 世纪7 0 年代中期，瑞典s k f 公司、德国、英国、法国、日本等国家已有成 熟的整套技术，生产的圆柱滚子、圆锥滚子、滚针已经全部实现凸度化。 1 3 4 我国铁路货车滚动轴承的滚子凸度研究的发展概况羽 近几年，我国铁路部门、科研所才对国产铁路货车专用滚动轴承的圆锥滚子 表面双曲线凸度进行了技术研究，1 9 9 9 年铁道部运输局下发文件，批准了四方车 辆研究所设计的“3 5 2 2 2 6 x 2 - 2 r z 型铁路货车滚动轴承产品设计图样”，该型轴承滚 子每列为2 0 粒，比1 9 7 7 2 6 型滚动轴承少1 粒，滚子母线采用对数曲线，内圈滚 道采取凸度设计，内圈大挡边采用斜挡边，密封结构采用橡胶迷宫式密封；2 0 0 1 年，瓦房店轴承集团有限公司、洛阳轴承( 集团) 公司、西北轴承( 集团) 有限 公司、上海联合滚动轴承有限公司、成都轴承集团有限公司等5 个轴承厂试生产； 2 0 0 2 年停止生产原1 9 7 7 2 6 型滚动轴承。 1 4 工程塑料保持架研究的发展概况n 惦1 1 4 1 滚动轴承保持架的概述 滚动轴承中的保持架起着多种作用，固定滚动体并保持彼此间合适的距离使 其能正确的转动、引导滚动体从载荷区进入非载荷区以及衰减振动等，这就要求 保持架具有足够的强度、韧性、耐磨损、耐腐蚀性能和应用可靠性。 目前，我国铁路货车专用滚动轴承所采用的冷冲压工艺的钢材质保持架，在 实际运用中，轴承保持架的破损问题尤其突出，如图1 5 1 1 0 所示。其产生断 裂位置绝大多数在大挡边与窗梁的交接处，轴承保持架一旦断裂，将严重影响滚 动轴承的正常旋转，以至引发“热轴”、“热切”等恶性行车事故。 图1 5 冷冲压工艺的钢材质轴承保持架的断裂之一 6 图1 6 冷冲压工艺的钢材质轴承保持架的断裂之二 图1 7 冷冲压工艺的钢材质轴承保持架的断裂之三 图1 8 冷冲压t 艺的钢材质轴承保持架的断裂之四 7 图1 9 冷冲压工艺的钢材质轴承保持架的断裂之五 图1 1 0 冷冲压工艺的钢材质轴承保持架的断裂之六 国外研究开发了货车专用滚动轴承工程塑料保持架，工程塑料保持架较钢材 质保持架具有多种良好品质，即使在无油状态，由于工程塑料保持架自润滑的特 点，能够维持滚动轴承正常运转一段时间，提高了铁路货车滚动轴承运行的安全 性，所以国外货车滚动轴承装用工程塑料保持架后，“热轴”事故大幅度降低，得 到了成功的运用。 1 4 2 工程塑料保持架的机理 保持架的应用特点要求对材料抗冲击特性给予高度重视，所以材料必须具有 较高的冲击强度。 工程塑料合金是指由两种及两种以上高分子材料构成的复合体系，实现不同 高分子材料有利性能的结合，并派生出新的有用性能，以得满足实际需要的材料； 圉 工程塑料合金制备技术按形成的合金中不同高分子链之间是否有化学健分为两大 类，即化学法和物理法。通常前者主要指嵌段共聚和接支共聚，后者主要指机械 共混；随着高分子合金的发展，其制备方法已经很难单纯用化学法或物理法来描 述，合金的制备过程常常同时伴有化学反应和物理变化，如互穿网络( i p n ) 技术、 反应性增容技术等，甚至在最简单的机械共混中也存在接支共聚和嵌段共聚等化 学反应。 高强增韧复合材料是依据工程塑料合金可获得有利性能结合的原理，针对铁 路货车专用滚动轴承保持架实际性能的需求而设计。增韧尼龙在现场反映良好体 现在弹性体增韧塑料的机理，橡胶增韧塑料后，对外来冲击能的耗散主要表现在 形成银纹，有一定韧性的基体( 如p c 、p a ) 有高的裂纹引发能和低的裂纹增长能， 因此具有过高的无缺口冲击强度和低的缺口冲击强度，这类聚合物经橡胶增韧后， 对外来冲击能的耗散主要依赖于产生剪切屈服。可见，对热塑性聚合物的增韧， 本质上在于提高材料的裂纹增长能。 对于橡胶增韧p a 6 6 体系，冲击能主要消耗于产生断裂表面的表面能、银纹的 表面能与屈服形变能，以及基体的屈服形变能，当对橡胶增韧p a 6 6 进行缺口冲击 时，消耗于银纹的冲击能约占总冲击能的2 5 ，消耗于基体屈服的冲击能占7 5 左 右。对于本身具有一定韧性且经橡胶增韧的基体，冲击能的吸收主要表现在引起 产生剪切屈服形变上。 1 4 3 国外工程塑料保持架的应用情况 1 9 7 7 年，德国铁路已经开始在圆锥滚子轴承上试验工程塑料保持架，8 0 年 代，欧洲许多国家均在试验室进行货车滚动轴承工程塑料保持架的研究工作，到 上个世纪8 0 年末期，装有工程塑料保持架的货车滚动轴承已经在欧洲铁路上进 行运行试验。 工程塑料保持架具有良好的耐磨性、耐腐蚀、自润滑、抗冲击性、质量小、 成本低、特别是应急安全性好，我国合资企业生产的s k f l 9 7 7 2 6 型货车滚动轴承 也在1 9 9 7 年l o 月批量装用工程塑料保持架，至今用量已1 0 0 多万件，现场反映 良好，提高了货车滚动轴承运行的安全性。 1 4 4 国内工程塑料保持架的研究情况 我国国产铁路货车滚动轴承目前所用的是金属材质保持架，由于保持架结构、 材质、工艺等先天性因素的影响，运行中曾发生横梁断裂故障，是造成轴承“热 轴 乃至“热切 事故的因素之一，危及行车安全，是列车运行安全的薄弱环节。 9 工程塑料保持架的应用已成为国内外铁路轴承的发展趋势，开展铁路货车滚 动轴承工程塑料材质保持架研制工作极具迫切性和现实性。铁道科学研究院金属 及化学研究所、四方车辆研究所、二七车辆厂隆长泰工程机械有限责任公司联合， 对工程塑料材质保持架进行了的研究工作，四方车辆研究所对客车短圆柱滚子轴 承用工程塑料材质保持架开展了研究工作，对材料、产品设计、模具、工艺和样 件的理化、机械性能进行了试验研究，积累了一些经验。 1 5 我国铁路货车滚动轴承密封装置的发展概况n 司 铁路货车滚动轴承在设计中都采用不同的理念，但为了保证设计的轴承单元 有通用性，对于相同轴重的货车，一般都遵循相应的标准( 如a a r ) 来保证产品的 互换性，因此轴承的内外公称尺寸基本相同，内部结构参数也相差不大，主要区 别是在密封装置。各轴承制造商都在通过不断改进密封装置来提高轴承的密封性 能，改善轴承的润滑状态，缩短轴承单元的轴向宽度，使轴承结构更趋于合理。 铁路货车滚动轴承按密封装置可分为接触式密封的轴承单元、迷宫式密封式 的轴承单元和紧凑型轴承单元。 1 5 1 接触式密封的轴承单元 该密封形式的轴承单元由内圈、外圈、滚子、保持架、密封座、油封等零件 及前盖、后挡组成。密封原理是采用接触式密封，靠油封主副唇口与密封座间产 生过盈配合( 有弹簧或无弹簧) 而达到接触密封的目的。 该形式轴承的密封结构在使用后暴露出以下问题：l 、密封唇口与密封座过盈 配合，在旋转时产生热量，造成轴承运转温度过高，最高温升可达7 0 ；2 、轴承 温度过高，加快了轴承内部油脂老化，降低了油脂使用寿命；3 、由于轴承温度过 高和油脂的存在，造成油封唇口的老化，降低了弹性，加快了磨耗。虽然弹簧可 以抱紧力，但在运用1 年后，密封唇口与密封座仍可能产生间隙，在没有其他辅 助密封结构时，密封效果大幅度下降，轴承内部的油脂泄露，外界的灰尘及水会 进入轴承内部，使轴承产生早期故障；4 、密封唇口与密封座过盈产生的旋转扭矩， 易造成轴承密封罩松动；5 、早期各公司生产的密封结构基本上是压装而不是硫化 在一起的，油封还存在从密封罩脱落的问题。 1 5 2 迷宫式密封的轴承单元 针对接触式密封存在的先天缺陷，各轴承制造公司都投入极大的精力从降低 轴承温度和提高密封性能等方面进行了研究，开发了迷宫式密封装置。s k i ：轴承公 司的密封结构为低摩擦的l l 型密封，橡胶直接硫化在密封罩并压装在相对静止的 l o 轴承外圈上，金属冲压件压装在旋转的密封座上，与前盖或后挡一起组成2 道轴 向密封和2 道径向密封。t i m k e n 轴承公司的结构为低转距的h d l 型密封，橡胶直 接硫化在密封罩并压装在相对静止的轴承外圈上，金属冲压件压装在旋转的密封 座上，组成2 道轴向密封和2 道径向密封，油封靠冲压件保护。中国的轴承结构 为橡胶迷宫式密封，外油封压装在密封罩上，内油封压装在密封座上，与前盖或 后挡怀起组成4 道轴向和3 道径向密封，且前盖或后挡与外油封组成第1 道轴向 密封，首先阻挡了大部分外界物质侵入轴承内部。n t n 轴承公司在原接触式密封设 计的基础上又增加了密封旧罩与前盖或后挡组成的密封，虽然密封性能得到了提 高，但原密封的其他问题仍然存在。上述密封基本属于迷宫式密封形式，通过增 加轴向、径向通道，改变流动方向及扩大空间而使物质流动阻力变大，从而达到 密封性能，该密封形式轴承单元的轴承结构基本上未改变。因该密封结构的油封 唇口与接触面间为过渡配合，其余部分不接触，所以使用后轴承的运转温度低， 密封性能稳定，增加了轴承使用的可靠性。除n t n 轴承公司外，其他迷宫式密封 的轴承单元在国内铁路货车上已经采用。 1 5 3 紧凑型轴承单元 为满足铁路货车提速、重载的需要，提高轴承使用可靠性，采用紧凑型轴承 技术成为铁路货车轴承的发展方向。由于迷宫式密封的密封性能已得到共识，因 此各轴承公司对迷宫式密封轴承单元的改进重点又放在轴承结构上。改进后的紧 凑型轴承单元的主要特点是减少了轴承零件，如取消了密封座，缩短了轴承单元 的轴向宽度以适应与之组装的车轴轴颈长度。轴颈长度越短，越有利于降低车轴 轴颈根部的应力，提高轴颈刚度，减少轴颈弯曲变形，改善微动磨损对轴承性能 的影响，从而提高车轴及轴承的可靠性。紧凑轴承单元取消了密封座，缩短了轴 承单元的轴向尺寸，轴承内圈大挡边外径面起到了原密封座的作用，与油封构成 密封，消除了微动磨损产生的物质对轴承内部润滑脂的污染，另外，s k f 轴承公司 还在内圈和后挡间安装了塑钢垫圈，改善了微动磨损。 1 5 4 我国铁路货车滚动轴承密封装置运用现状 自我国铁路货车轴承化以来，滚动轴承密封装置一直采用接触密封的方式， 经过多年的实际运用，接触式密封装置存在着唇口易磨损、寿命短、温升高、渗 油或甩油、进狄砂或水等常见故障，直接影响滚动轴承的正常使用，不再满足铁 路货车的使用要求。 1 9 9 8 年，铁道部推广应用了橡胶迷宫式铁路货车轴承密封装置，新结构密封 装置与传统接触式密封装置相比，具有密封性能很好、稳定、可靠，摩擦力矩小， 轴温低等特点，消除了油封对滚动轴承温升的影响，有效地解决了因密封失效影 响轴承使用寿命和可靠性的问题，提高了轴承的使用寿命，改善了滚动轴承的运 行品质。 随着采用橡胶迷宫式密封装置的大量投入使用，外油封松动、脱落故障在实 际运用中突出反映出来，如图1 4 1 1 6 所示，一方面，由于橡胶迷宫式密封装 置的外油封松动、脱落故障，轴承密封性能失效，影响了滚动轴承的正常运用； 另一方面，列车运行过程中，由于橡胶迷宫式密封装置的外油封松动、脱落故障， 造成窜出的外油封与前盖、后挡发生磨擦，列车经地面红外线探测站时，红外线 误报燃轴、甩车，干扰了正常的行车秩序。 图1 1 1 外油封松动、脱落故障之一 图1 1 2 外油封松动、脱落故障之二 1 2 图1 1 3 外油封松动、脱落故障之三 图1 。1 4 外油封松动、脱落故障之四 图1 1 5 外油封松动、脱落故障之五 1 3 图1 1 6 外油封松动、脱落故障之六 1 6 轴承后挡的运用概况n 6 1 铁路货车专用滚动轴承的重要附件一轴承后挡，对滚动轴承良好的密封性、 正常使用起着至关重要的作用，但由于轴承附件检修质量不高，现场作业失控， 将直接影响滚动轴承的正常使用，并将导致滚动轴承“热轴”、“热切”以至车轴 “冷切”事故的发生。 本文根据铁道部有关铁路货车滚动轴承检修规章、文件和电报的工艺要求引， 通过对锦州车辆段的锦州、阜新检修车间及原山海关基地；吉林车辆段梅河口检 修车间；苏家屯车辆段原皇姑屯检修基地；兰州西车辆段原石嘴山检修基地在役 的铁路货车滚动轴承后挡进行了充分的调查，从调查结果的统计结果上看，轴承 后挡因过限达到报废率约占6 0 - 8 0 左右，在所调查的轴承后挡中，后挡与车轴防尘 座配合直径最大值为16 5 3 8 m m ，圆度最大值为0 2 7 r a m ，沟槽深度最大值为4 o m m ， 在实际运用中轴承后挡因过限应报废而仍在使用的问题突出反映了出来，直接影 响滚动轴承以及车轴的正常运用。 1 7 论文选题的背景及意义 随着我国国民经济飞速发展，铁路企业为适应国内运输市场的需求，铁路部 门做出了一系列重大决策，铁路货车专用滚动轴承的微观设计、密封装置、保持 架、轴承附件等问题，一直困扰着铁路货车应对新形势的要求。 为了铁路货车滚动轴承这一课题，本文经查阅大量技术资料和借鉴国外货车 滚动轴承的成功经验，在我国装用于2 1 t 轴重、运行速度为1 2 0 k m h 的铁路货车 滚动轴承的多年运用的基础上，对铁路货车装用的滚动轴承进行完善、优化设计， 立足解决长期以来困扰铁路货车快速发展的难题，大幅度减少、降低货车滚动轴 1 4 承的“热轴乃至“热切 、“冷切事故，提高铁路货车专用滚动轴承的使用寿 命，提高我国铁路货车滚动轴承运行的安全性、可靠性，以满足在铁路跨越式发 展形势下铁路货车提速、重载的新要求，提高铁路企业在运输市场中的竞争能力。 1 8 本文的主要工作 针对铁路货车专用滚动轴承进一步完善、优化这一课题，本文的主要工作如 下： 1 8 1 从理论上，分析研究母线轮廓为凸度的圆锥滚子的受力状况及优点，阐 述圆锥滚子母线为对数曲线凸度设计的重要性，轴承使用寿命设计中有关参数的 探讨。 1 8 2 从理论上分析、研究工程塑料材质保持架的优点，统计、分析冷冲压钢 材质保持架发生断裂的原因。 1 8 3 通过原材料试验、制造工艺研究、样件拉伸、弯曲试验、台架试验验证， 设计工程塑料保持架能够满足铁路货车滚动轴承的使用要求。 1 8 4 统计、分析迷宫式轴承密封装置发生外油封松动、脱落的原因，对在役 的迷宫式轴承密封装置的密封罩组件结构进行优化设计、改进。 1 8 5 统计、分析在役轴承后挡现状，分析其产生的严重后果及隐患，提出轴 承后挡生产、检修的技术、管理要求。 1 8 6 总结本文的研究成果，提出进一步尚待改进的工作及措施。 1 5 2 铁路货车滚动轴承圆锥滚子凸度与在役轴承寿命修订 2 1 铁路货车滚动轴承圆锥滚子母线凸型概述 轴承受到负荷作用时，滚子与轴承滚道相接触，在接触表面上产生接触压力， 其大小和分布状态与滚子的外形轮廓线有直接的关系，对轴承的承载能力和使用 寿命产生极大的影响，这种关系是人们经过长期的理论研究和实践探索中逐渐认 识到的。在十九世纪，赫芝( h h e r t z ) 提出“无限长固态弹性体之间的接触理论”。 2 0 世纪4 0 年代，伦德伯格( g l u n d e r b e r g ) 在赫芝理论的基础上，提出了“有限长 的两个弹性体半椭球接触理论 。使人们从单纯地提高滚子的真圆度发展到采用合 理的滚子外形轮廓线和弹性趋近量，以便得到较合理的压应力的分布状态和接触 形式，从而更有效地、更经济地提高轴承的接触疲劳强度，延长轴承的使用寿命 和承载能力。 2 2 滚子母线凸型的种类 滚子的凸型大致可分为如下七类，它们分别是：直母线滚子、圆弧全凸母线滚 子、椭圆全凸母线滚子、圆弧修缘母线滚子、理论圆弧修缘母线滚子、分段圆弧 修缘母线滚子和对数母线滚子。 2 3 几种典型的滚子母线凸型的特点d 2 8 1 根据上述理论和实践经验，人们常采用图2 1 中几种典型圆锥滚子母线凸型 设计。 2 3 1 直母线型滚子的特点 如图2 1 ( a ) ，直母线型滚子的外形轮廓线为直母线，它是在整个有效长度上 受力。直母线型滚子的突出特点是，在接触区的大部分区域上的接触压应力是均 匀分布的，但在滚子端部有突变的倒角，引起滚子两端严重的边缘效应，压力急 剧增大，产生比中心应力大几倍的应力峰值，接触区域急剧扩大，引起滚子两端 的压陷，形成了接触区域压应力的奇异分布，易造成该处的早期疲劳剥落。当受 到偏载荷时，滚子的边缘效应急剧扩大，因此直母线滚子轴承安装时，不允许歪 斜，否则轴承会很快地损坏。 2 3 2 全凸型滚子的特点 如图2 1 ( b ) ，全凸型滚子在整个滚子长度上具有固定的表面曲率，即滚子母 线是一段圆弧。因此，在不加载荷时，滚子和滚道之间有几微米的间隙，凸型表 面和倒角之间的夹角比直母线与倒角的夹角要小，这样就使得滚子接触时力的传 1 6 ( b ) ( c ) ( d ) 一一二一 n 图2 1 典型圆锥滚子凸型图 递条件较好。但是，它有一个明显的缺点，当负荷较小时，滚子和滚道的接触近 似点接触，接触区域为椭圆，接触压应力按半椭圆规律分布并容易引起倾斜。在 重负荷时，中部接触应力又明显大于边缘，接触压应力分布不均匀，微小的滑动 有磨损危险性。 采用全凸型母线，滚子的接触长度随载荷的大小变化而变化，在轻负荷时， 只有滚子有效长度的少部分进入接触，是一个不均匀分布只有在更重的载荷下， 使滚子的全部有效长度进入接触时，应力才少许变得均匀些。当负荷增大且超过 某一数值时，滚子两端亦会产生边缘效应，但程度比直母线滚子小得多。由于它 呈点接触，能适应一定的偏载负荷，这是该种外形凸度滚子的最大优点。其中椭 圆曲线全凸型滚子的接触负荷分布均匀性比圆弧全凸度滚子好，但仍未改变点接 触的本质，滚子中部的接触压力仍高于两侧。但这种滚子接触比直母线滚子接触 优越。 2 3 3 圆弧修正线型凸度滚子的特点 如图2 1 ( c ) ，圆弧修j 下线型凸度滚子的外形轮廓曲线是由圆弧和直线相交而 成时，在交点处，外形曲线连续而不光滑，存在着陡峭的外形变化，引起斜率的 阶跃，它的接触长度也随着负荷的变化而变化，在端部附近压应力的分布亦不均 1 7 目目日 白宫白目审白白 匀，它虽然能避免滚子两端的边缘效应，但在交点处出现了应力集中的奇异性现 象，它比边缘效应所产生的应力奇异性要小的多。在圆弧和直线相交处也常常发 生早期疲劳剥落现象。当受到偏载荷时，它的适应性比直母线滚子强，但比全凸 滚子差。 如图2 1 ( c ) 所示，圆弧修正线型凸度滚子的外形轮廓是由等半径圆弧曲线或 几个不同半径圆弧曲线相切后再与直线相切而成，形成光滑的连接曲线，但曲率 有不连续的变化而有阶跃存在，引起较轻的应力集中现象。一般情况下不存在压 应力奇异分布现象。因而它比圆弧与直线相交的轮廓曲线的应力集中现象要轻得 多，能满足较高的精度要求，是目前常采用的滚子外形轮廓曲线中较好的一种。 2 3 4 对数型凸度滚子的特点 如图2 1 ( d ) ，对数型凸度滚子的外形轮廓曲线是一种特殊的对数函数曲线， 在大部分接触长度上接近于直线，在滚子端部很陡峭，斜率变化很大，滚子与滚 道接触时成椭圆形，而轴向的接触压力分布是均匀的。因而在轻载荷时，大部分 的有效长度得到充分利用。在受重载荷时，由于滚子端部很陡峭而不会产生边缘 效应和应力奇异点，因此各接触区域内的压应力均匀分布、当受偏载荷时，它的 应力分布更优于上述各种轮廓曲线的滚子。到目前为止，这种对数曲线凸度滚子 是最理想的，它的寿命是圆弧修j 下线型滚子的2 1 4 倍，是直母线滚子的3 1 8 倍。 图2 1 中，定性地列示了上述四种不同母线滚子分别在轻载荷、重载荷和偏 载荷条件下，其接触应力的分布情况。在偏载时，上述三种母线的滚子，边缘应 力都会增加，直母线滚子的边缘应力变化更加急剧。 滚子的凸度设计包括了凸型设计和凸度量设计两方面。凸型设计应尽量采用 比较理想的凸型，而凸度量则取决于滚子载荷和长度。凸度量的设计准则是使滚 子在承受工作载荷时，全部进入接触。当凸度量过大时，滚子只能部分进入接触， 滚子的有效长度不能充分利用：当凸度量小时，滚子两端会出现应力峰值，造成压 力的奇异分布，这是不允许的。 在不同的应用场合，轴承承受的载荷是不同的。在轴承承受的载荷一定的情 况下，轴承旋转时，每一个滚子的载荷也是变化的。另外轴承在跑合阶段，滚子 凸度会存在某种程度的减小。因此确定滚子的凸度量是一个复杂的过程。 2 43 5 2 2 2 6 x 2 - 2 r z 型轴承寿命理论计算中轮径参数的修订n 3 埔伸1 为有效解决原有国产1 9 7 7 2 6 型轴承在运用中出现内外圈早期剥离及保持架破 裂等不能适应我国铁路运输的问题，尤其是不能满足提速发展的需要，1 9 9 9 年铁 1 8 道部运输局批准了四方车辆研究所设计的“3 5 2 2 2 6 x 2 2 r z 型铁路货车滚动轴承产 品设计图样”，该型轴承滚子每列为2 0 粒，比1 9 7 7 2 6 型滚动轴承少1 粒，滚子母 线采用对数曲线，内圈滚道采取凸度设计，内圈大挡边采用斜挡边，密封结构采 用橡胶迷宫式密封。 3 5 2 2 2 6 x 2 - 2 r z 型铁路货车滚动轴承产品的设计，是四方车辆研究所在总结原 1 9 7 7 2 6 型轴承设计与应用经验的基础上，参考瓦房店轴承集团有限公司、西北轴 承( 集团) 有限公司等有关轴承厂提供的设计资料完成的，3 5 2 2 2 6 x 2 2 r z 型铁路 货车滚动轴承产品设计的基本应用条件n 引： 1 、运行速度 正常速度：1 2 0 k m h 最高速度( 短时) ：1 4 0 k m h 试验速度( 短时) ：1 6 0 k m h 2 、轴重与轴负荷 轴重：2 1 t ( 2 0 5 8 k n ) 轴负荷：1 9 8 t ( 1 9 4 0 4 k n ) 3 、最大轴向载荷( 不同速度、短距离、不连续) 7 9 2 - 9 9t ( 7 7 6 2 9 7 0 2 k n ) ( 注：按轴负荷的4 0 一- - 5 0 计算) 4 、车轮直径 巾8 4 0 m m ( 计算轴承寿命时取平均值巾8 2 0 m m ) 5 、检修周期 运用5 0 1 0 4k m 或5 年 6 、环境条件 温度： 一4 5 + 4 0 湿度：1 0 0 7 、轴承润滑方式 润滑脂润滑 8 、轴承最高允许温升 外温+ 4 0 9 、钢轨条件 包括有接逢和无接逢钢轨 3 5 2 2 2 6 x 2 - 2 r z 型铁路货车滚动轴承的基本额定寿命和修正额定寿命均根据 1 9 g b t6 3 9 1 1 9 9 5 计算；其基本额定寿命由l 。( n ) = ( c r p m ) 1 0 舟1 0 6 公式计算得 出，原3 5 2 2 2 6 x 2 - 2 r z 型铁路货车滚动轴承检修周期运用5 0 1 0 4k m 或5 年，计算 时取轮对轮径d = 巾8 2 0 m m n 引，但实际上，现行的新造3 5 2 2 2 6 x 2 - 2 r z 型铁路货车滚 动轴承现场使用寿命为8 年、大修3 5 2 2 2 6 x 2 2 r z 型铁路货车滚动轴承现场使用寿 命为7 年，而且，暨有铁路货车提速改造工作中，以及现有在役装用k 2 转向架的 铁路货车