文章编号:1002-7602(2006)06-0007-05
我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展
刁克军1,陈 雷2
(1.中国北车集团四方车辆研究所研究试验部,山东青岛266031;
2.铁道部运输局装备部货车处,北京100844)
摘 要:介绍了国外重载货车车轴及轴承的概况,论述了我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展状况。
关键词:货车;车轴;轴承;技术;发展
中图分类号:U270.331+.2 文献标识码:B
随着对车辆载重及使用可靠性要求的进一步提高,近年来国内外各铁路运输公司都在不断地改进车轴、轴承结构,如:缩短了车轴轴颈载荷中心到根部的距离,降低了车轴轴颈根部应力和弯曲变形;对轴承内圈及密封装置进行了优化设计,使结构设计紧凑,有效地改善了微动磨损对轴承性能的影响,极大地提高了车轴、轴承的使用可靠性。
1 车轴的发展
1.1 国外车轴
美国、澳大利亚、巴西及南非等国家的铁路重载运输比较发达,其货车的轴重达到了30t及以上,实现重载运输的铁路绝大多数执行北美铁道协会(以下简
收稿日期:2006-04-03
作者简介:刁克军(1961-),男,高级工程师。称AAR)制定的标准。AAR在从滑动轴承车辆到滚动轴承车辆的转换过程中,为降低成本,要求利用原有的转向架和原有滑动轴承车轴,因此,AA R早期标准中规定的B、C、D、E、F、G等型车轴都是在原滑动轴承车轴基础上形成的,这就使得车轴载荷中心到轴颈根部的距离都比较长。运用证明,该尺寸过长不仅削弱了车轴的强度,而且运用中轴颈弯曲变形大,使轴承内部各零件间的接触关系恶化,导致车轴和轴承故障增加。
为提高车轴和轴承的可靠性,A AR对目前大量使用的车轴进行了修改,主要是缩短了车轴载荷中心到轴颈根部的距离,缩短后的E、F、G轴分别称为L、K、M型,其中K型轴已纳入了AA R标准。另外,随着运输发展的需要,在新修订的AAR标准中取消了B、C型车轴
。
其中:a ij=∑n
k=1
f k0
b i
f k0
b j
(i,j=1,2,…,m)
a iy=∑
n
k=1
f k0
b i
(y k-f k0)(i=1,2,…,m)
求解方程(10)即可得到分布参数:μ=-37.23,σ
=25.321,K=0.0215。图4表示了拟合结果。
图4 拟合结果
4 结论
将现场实测与有限元分析相结合,得到了车轴的
载荷谱;按照等损伤理论得到了车轴的等效载荷谱。本
文所给出的等效载荷谱可用于车轴疲劳设计或室内疲
劳试验。
参考文献:
[1] 高镇同.疲劳应用统计学[M].北京:国防工业出版社,1986.
[2] 赵少卞,王中保.抗疲劳设计———方法与数据[M].北京:机械
工业出版社,1997.
[3] 李 强,缪龙秀,等.提速客车转向架动应力分布拟合的研究
[J].铁道学报,2001,21(4):105—108.
(编辑:田玉坤)
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专题报道铁道车辆 第44卷第6期2006年6月
图1 RE 2、RE 2A 、RE 2B 型3种车轴的结构示意图
1.2 国内车轴
我国最早用于25t 轴重铁路货车的滚动轴承车轴为RE 2型,车轴载荷中心距为1956mm ,车轴载荷中心到轴颈根部的距离为135mm 。因车轴载荷中心距短增加了转向架结构的设计难度,且当时设计的轴承外形比较大,过于笨重,故RE 2型车轴仅进行了装车运用考验而未大量推广使用。1998年设计了RE 2A 型车轴,车轴载荷中心距为1981mm ,车轴载荷中心到轴颈根部的距离为125m m 。与RE 2型车轴相比,载荷中心距增加了,方便了转向架结构设计;缩短了载荷中心到轴颈根部的距离,降低了轴颈根部应力和弯曲变形;在轴颈根部是成型磨削的形式下,过渡圆弧由R 25mm 增加到R 40mm ,应力集中系数降低了3.1%;该轴代替了RE 2型车轴用于重载车辆。
在RE 2、RE 2A 型车轴设计中,既
考虑了国内现有设备条件,又考虑到今后的技术进步,对车轴轴颈根部和防尘板座根部设计了2种有卸荷槽和1种无卸荷槽的加工形式。
为满足货车提速、重载的需要,提高车轴使用可靠性,防止货车车轴冷切事故的发生,2005年为70t 级车设计了RE 2B 型车轴,车轴载荷中心距仍为1981mm ,车轴载荷中心到轴颈根部的距离为110mm ,进一步降低了轴颈根部应力和弯曲变形。
另外,随着我国车轴加工技术水平的提高,RE 2B
型车轴轴颈和防尘板座仅采用了无卸荷槽1种形式,其与成型磨削的先进加工工艺结合可以保证加工后的轴颈根部形状和粗糙度严格符合图样要求,消除了过去车轴在轴颈加工时因设备落后造成的卸荷槽深度、形状和粗糙度不符合图样要求而给货车运用安全带来的隐患,以及因有多种卸荷槽形式及加工形状不符合图样要求给检修带来的不便,同时提高了车轴制造和检修的合格率。
RE 2、RE 2A 、RE 2B 型3种车轴的结构见图1。1.3 各型车轴轴颈根部处应力值
根据欧洲EN 13103:2001《铁路应用—轮对轴箱—非动轴—设计方法》标准,对符合AA R 标准的E 、F 、K 型车轴及国内的RE 2、RE 2A 、RE 2B 、RD 2及RD 2B (完成设计但未推广使用)型车轴轴颈根部(原形、无卸荷槽)的应力进行计算。计算弯矩的截面选在过渡圆弧起点后的1/3圆弧处,计算过程如下。1.3.1 作用在轮对上的力
车辆质量引起的作用在轮对上的载荷如图2所示
。
图2 载荷示意图
图中各载荷值如下:
增载侧轴颈载荷:P 1=(0.625+0.0875h 1/b )m 1g
减载侧轴颈载荷:P 2=(0.625-0.0875h 1/b )m 1g 增载侧车轮受轨道的横向反力:Y 1=0.35m 1g 减载侧车轮受轨道的横向反力:Y 2=0.175m 1g 车轴所受横向力:H =Y 1-Y 2=0.175m 1g 式中:m 1———作用在轴颈上的质量,等于车辆轴重减
轮对质量;
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h 1———载荷中心到车轴中心线的高度;2b ———车轴载荷作用点的距离。1.3.2 轴颈根部的弯矩
(1)各力在轴颈根部处引起的弯矩:
M x =P 1y
(2)制动在轴颈根部处引起的附加弯扭矩:
对于单侧踏面制动
M x ′=F f Гy M y ′=0M z ′=F f (1+Г)y
式中:F f ———1个车轮与闸瓦之间的总压力;
Г———车轮与闸瓦之间的摩擦因数;y ———计算截面距P 1的距离。
(3)在轴颈根部处的合成弯矩:
M R =[(M x +M x ′)2
+M y ′2
+M z ′2
]
1/2
1.3.3 轴颈根部处应力值
σ=K M R /W 式中:W ———截面抗弯模量,W =πd 3/32;
d ———车轴轴颈名义直径;
K ———应力集中系数,根据EN 13103:2001标准
中的图5查得,与系数r /d 、D /d 有关,其
中,r 为截面过渡处的圆弧半径,D 为防尘板座直径。
EN 13103:2001标准中规定A1N 钢的轴颈许用应力为100M Pa ,我国的LZW 钢及AA R 标准的F 类钢的性能与欧洲标准的A1N 钢相当,计算中的许用应力取值与A1N 钢相同。计算结果见表1。
表1 各型车轴主要参数及轴颈根部应力值
轴型轴重/t 轴颈中心到根部距离/mm 轴颈直径/mm 全长/m m 中心距/mm 轴颈根部
应力/M Pa 安全
系数E 24.9150.8144.542235.21981.285.08 1.18F 32.4163.5157.242276.52006.693.63 1.07K 32.4123.3157.242213.82006.667.16 1.49RE 2
25
1351502166195674.14 1.35RE 2A 251251502191198163.54 1.57RE 2B 251101502181198154.67 1.83RD 2
21
1251302146195692.77 1.08RD 2B 21
100
130
2146
1956
68.18
1.47
从表1可以看出,缩短车轴载荷中心到轴颈根部的距离,降低了车轴轴颈根部的应力值,其中K 型轴相对于F 型轴应力降低了28.3%,RE 2B 型轴相对于RE 2A 、RE 2型轴应力分别降低了14.0%、26.3%,大大增加了车轴安全裕量。
1.4 各型车轴的弯曲变形
按照欧洲EN 13103:2001《铁路应用—轮对轴箱—非动轴—设计方法》标准计算作用在轮对上的力,采用有限元方法计算了各型车轴的弯曲变形。因各型车轴的弯曲变形分布基本一样,故仅给出RE 2B 型车轴的变形示意图(见图3);各型车轴在相关部位的弯曲变形量见表2。
表2 各型车轴在相关部位的弯曲变形
mm
轴型轴身最大变形载荷中心变形轴端变形轴端相对根部变形E 1.514-1.241-1.841 1.305F 1.144-1.171-1.718 1.200K 1.148-1.150-1.5600.898RE 20.876-0.835-1.1650.756RE 2A 0.918-0.900-1.2430.751RE 2B 0.918-0.896-1.2200.682RD 20.978-0.887-1.2310.786RD 2B
0.978
-0.874
-1.207
0.
682
图3 轮对的弯曲变形
从表2可以看出,对轴重和载荷中心距相同
的轴型,在车轴载荷中心之间,相互间的弯曲变形量基本变化不大;对轴重或载荷中心距不相同的轴型,相互间的变形量存在较大差异。
从表2还可以看出,因各型车轴的轴颈长度不同,轴颈范围的相对弯曲变形量存有差异,其中RE 2B 、RD 2B 型轴变形量最小。K 型轴相对于F 型轴弯曲变形量降低了25.2%;RE 2B 型轴相对于RE 2、RE 2A 型轴弯曲变形量分别降低了9.8%、9.2%。
轴颈弯曲变形的减少,除降低了各件端面间的微动磨损外,还改善了轴承内部各件间的接触关系,提高了轴承和车轴的可靠性。
2 轴承的发展
对铁路货车,一般采用无轴箱双列圆锥滚子轴承单元,通过承载鞍与转向架侧架直接连接。该无
9 我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展 刁克军,陈 雷
轴箱双列圆锥滚子轴承单元因具有结构轻、组装和运用检修方便等特点,在铁路货车上得到了广泛的应用。
虽然各轴承制造公司在轴承设计中都有不同的理念,但为保证设计的轴承单元具有通用性,对于相同轴重的货车,一般都遵循相应的标准(如AAR)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,主要差别是在密封装置。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。图4为各轴承公司的轴承结构图。
2.1 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、后挡附件组成。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(见图4(a)、(b))。
该形式轴承的密封结构在使用后暴露出以下问题:
(1)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70℃。
(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,造成油封唇口老化,降低了弹性,加快了磨耗。虽然弹簧产生抱紧力,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内脱落问题。
虽然各轴承制造公司都对油封内径上的单或双主副唇口的形式及弹簧抱紧力的大小做了大量研究(如TIM KEN轴承公司),但由于该密封结构存在先天缺陷,现在货车上采用的比例已经降低。
2.2 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了极大的精力从降低轴承温度和提高密封性能等方面进行研究,开发了迷宫式密封装置。
SKF轴承公司的密封结构为低摩擦的LL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,与前盖或后挡一起组成2道轴向密封和2道径向密封(见图4 (c))。
TIM KEN轴承公司的结构为低转距的HDL型密封圈,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(见图4(d))。
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,内油封压装在旋转的密封座上,与前盖或后挡一起组成4道轴向密封和3道径向密封,且前盖或后挡与外油封组成的第1道轴向密封首先阻挡了大部分外界物质侵入轴承内部(见图4(e)
)。
(a)S KF、TIM KEN、NS K、NTN轴承公司及中国轴承结构;(b)FAG轴承公司轴承结构;(c)S KF轴承公司
轴承结构;(d)TIM KEN轴承公司轴承结构;(e)中国轴承结构;(f)NTN轴承公司轴承结构;(g)SKF轴承
公司轴承结构;(h)T IM KEN轴承公司轴承结构;(i)中国的轴承结构之一;(j)中国的轴承结构之二。
图4 各轴承公司的轴承结构
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铁道车辆 第44卷第6期2006年6月
NTN轴承公司在原接触式密封设计的基础上又增加了密封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(见图4 (f))。
上述密封基本上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 TN 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。
2.3 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的主要特点是减少了轴承的零件,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(见图4(g)、(h)、(i)、(j))。
从图4(g)、(h)、(i)可以看出,紧凑型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,SKF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。
图4(j)的轴承特点是轴承外圈、内圈、滚子及中隔圈与现有的353130X2—2RZ型轴承完全相同,密封装置是通过改变前盖、后挡的结构和橡胶件组成混合迷宫密封,取消了密封座和内油封,缩短了轴承单元的轴向尺寸,使用性能成熟、可靠,并适应现有的检修体制和检修设备。
由院、所、铁路轴承公司、铁路局和铁路货车制造公司等专家的组成的审查组对上述结构的轴承进行了技术审查。一致认为:除TIMKEN轴承公司外,其他3种现有的轴承设计图样均可满足RE2B型车轴的使用要求。
3 RE2B型轮对
RE2B型车轴与图4(g)(SKF轴承公司的轴承结构),图4(i)、(j)(中国的轴承结构)中的轴承单元组成的RE2B型轮对结构符合可靠性、可用性、可维护性及安全性(RAMS)系统的内容,并与现有的RE2A型轮对可以互换使用,二者均可满足转K5型、转K6型转向架的使用要求。
图4(j)的中国轴承在2005年6月通过了台架运转性能试验,2005年9月装车运用考验,至2005年年底共装车2500辆,到目前为止,运用情况正常;图4 (g)的SKF轴承公司的轴承现在正在试制中,2006年3月进行台架试验,2006年5月装车运用考验。
RE2B型轮对的应用,延长了轮轴的检修周期,降低了轮轴的检修成本。
4 RE2B型轮对技术的应用
RE2B型轮对技术能够指导我们对现行的21t轴重铁路货车用RD2型车轴和352226X2—2RZ型轴承进行改进设计及今后30t及以上轴重铁路货车轮对开发设计。
21t轴重铁路货车新设计的车轴为RD2B型,车轴载荷中心距仍为1956mm,车轴载荷中心到轴颈根部的距离由RD2型的125mm缩短为100mm,更大幅度地降低了车轴轴颈根部应力和弯曲变形(见表1、表2),RD2B型轴相对于RD2型轴应力降低了26.5%,弯曲变形量降低了13.2%。在保证原轴承后挡使用的前提下,根部过渡圆弧也由R20mm增加到R25mm,应力集中系数降低了2.3%。轴颈根部取消了卸荷槽形式,采用成型磨削加工方式,保证了车轴轴颈的加工质量。
5 结束语
本文介绍了国内外重载货车用车轴及轴承的概况,计算了缩短轴颈前后的车轴强度和弯曲变形量,从理论上证明了缩短轴颈对提高车轴、轴承可靠性的作用。通过对现有各种轴承密封形式的比较,确认了我国25t轴重铁路货车选用紧凑型轴承的合理性。新设计的RE2B型车轴与选用的紧凑型轴承的组合,必将减少微动磨损对轴承、车轴的污染,有效遏制货车车轴冷切事故,提高我国重载货车车轴及轴承的可靠性,保证货车运行安全。这些决策和实践标志着我国铁路货车轮轴技术已进入国际先进水平。
(编辑:田玉坤)
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我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展 刁克军,陈 雷
ABSTRACT
Research on Prediction of the Fatigue Life
of Welding Structures on Freight Cars
XIE Su-ming,e t al.
(female,bo rn in1965,professo r,Vehicle Engi-nee ring CAD/CAE Technical Center of Dalian Jiao-to ng U niversity,Dalian116028,China)
A bstract:Acco rding to standards of the Interna-tional Welding Socie ty and British Standards,w ith the finite elements static streng th results and the ac-tually measured load spectrum,the fatigue life com-pariso n analysis is made for the modes of typical w el-ded joints at key parts of an ex po rted coal car bo dy. The results sho w that the prope r selection of modes of w elded joints and welding technologies can do uble improve the fatigue life of structures.
Key words:freight car;finite element analy sis; fatigue life;predictio n
Test and Research on Fatigue Load Spectrum of Axles for Speed Increased Passenger Cars
ZHANG Rui-ting,et al.
(male,bo rn in1964,senio r eng ineer,CS R Si-fang Locomo tives&Ro lling Stock Co.,Ltd.,Qing-dao266111,China)
A bstract:O n the basis of the actual measurement of the w hole stress-tim e course at the relief g rooves of ax les for passeng er cars,the stress spectrum is ob-tained after the rain-flow counting;The load calcula-tion is made w ith the finite element metho d and the load spectrum is obtained;And the load distribution features and reg ulations are analy zed with the relia-bility theory.
Key words:passenger car;axle;fatig ue;lo ad spectrum
Technical Development of Axles and Bearings for
Heavy Haul Railway Freight Cars in Our Country
DIAO Ke-jun,e t al.
(male,bo rn in1961,senio r engineer,Research and Testing Departm ent of CN R Sifang Ro lling S to ck Research Institute,Qingdao266031,China)
A bstract:The gene ral co nditions of axles and bearing s fo r heavy haul freight cars abroad are de-scribed.The technical developments of axles and bearing s fo r heavy haul railw ay freight cars in our country are discussed.
Key words:freig ht car;axle;bearing s;tech-nique;development
Analysis of the Rolling Stock Dispatching and
Management System at Present in Our C ountry
and Some Tentative Ideas
HO U Ya-jie,et al.
(male,bo rn in1973,engineer,Freig ht Car De-partment of Equipment Sectio n of MO R Transporta-tion Bureau,Beijing100844,China)
A bstract:In view of the general conditions of the rolling stock dispatching and management sy stem at present in our country,it is ex pounded and analyzed in such aspects as the co mposition,catego ry,con-tents and sy stem of the rolling stock dispatching and management sy stem,and some tentative ideas are given.
Key words:rolling sto ck;dispatching;manag e-m ent system;tentative idea
Brief Description of Reform of the Auxiliary Repair
System for Railway Freight C ars in Our Country
YUAN Sheng-li,e t al.
(male,bo rn in1972,engineer,Dispa tching Sta-tion of Zhengzhou Railw ay Bureau,Zheng zhou 450052,China)
A bstract:In view of the problems existing in the inspection and repair system fo r freight cars in our country at present,the sy stem reform scheme to can-cel the auxiliary repair of freight cars is put forw ard, and it is expounded fairly com pletely.Furthermo re, the unfavo rable factors that may com e after canceling the auxiliary repair class of freig ht cars are analyzed, and relevant requirements are given on such aspects as manufacture,o verhaul,depot repair,station re-pair and operation.
Key words:railw ay freig ht car;inspectio n and repair;reform of repair sy stem
Application of the Quadric Crank Mechanism
on the Three-Pieced Cast Steel Bogies
SH AO Wen-dong,et al.
(male,born in1974,eng ineer,Technical Center of CN R Qiqihar Railw ay Car(G roup)Co.,Ltd., Qiqihar161002,China)
A bstract:Described a re the functio n principles and specific structures of quadric crank mechanism on bo gies as w ell as the dynamics perfo rmance,o pera-tion,inspectio n and repair of the bogies w ith the quadric crank mechanism.And suggestions are given on the improvement of the mechanism and its applica-tion in o ur co untry.
Key words:bog ie with quadric crank mechanism; freight car bog ie;quadric crank mechanism;dy nam-ics performance
Manufacture Technology for Center Sills of the 100t Special Wagons for Transport of