关于高速动车组轴箱轴承设计选型方法的研究

前言

高速动车组先后经历技术引进、消化吸收和再创新阶段，取得了丰硕的成果，目前已具备和谐号、复兴号、城际动车组、城轨车辆等多平台车辆的设计研发、生产制造、运用及维护等能力，高铁成为了中国一张闪亮的名片。轴箱轴承是动车组转向架的关键核心零部件，它的性能优劣直接影响到转向架及车辆的安全性和平稳性。本文将对高速动车组转向架轴箱轴承的选型进行详细论述。

一、设计输入

1. 顶层指标：动车组轴重、簧下质量、设计时速、轮径、运用寿命需求是轴箱轴承设计的顶层指标，是开展选型研究的基本依据。

2. 运用环境：主要包括环境温湿度、风沙、线路振动条件。环境温湿度主要影响润滑油脂的粘度，进而影响润滑能力和运用可靠性，避免异常温升。风沙条件涉及到轴承密封选型，对于国内新疆、兰州区域的大风沙环境，且沙颗粒尺寸较小，需采用可靠的密封方式，防尘台架试验结合实际情况开展验证。

3. 轴承尺寸边界：轴箱轴承空间结构包括轴承内径、外径和轴向设计尺寸空间，通常轴承内径最小尺寸由车轴轴颈确定，结合既有车型的经验可优先从120mm、 130mm 、 150mm 等系列尺寸中选择。轴承外径尺寸通常由轴箱体或轴箱转臂结构强度需求确定，与轴箱内孔结构实现小间隙配合，结合既有车型的经验可优先从 220mm 、 230mm 、 240mm 等系列尺寸中选择。轴箱轴承的内、外径尺寸的设计选型，是基于与其配合的车轴、轴箱体强度设计相关联的，车轴、轴箱体将轴承限定在一定的范围内，这既是轴箱轴承的设计空间尺寸边界。

二、设计选型

1. 轴承形式的确定

通常采用双列圆柱滚子和双列圆锥滚子轴承两种结构形式，圆锥滚子轴承径向承载能力相对较低，适用于轴向载荷较大的运用场合；圆柱滚子轴承其径向承载能力相对较高，适用于轴向载荷较小、高转速的场合，若运用工况存在高轴向力工况，轴承的滚子端面与挡边磨损，轴承绝对温度易升高，引发轴承预报警问题。

2. 轴承外形尺寸

轴承外形尺寸应满足轴端空间结构边界要求，在此基础上，优先保障轴承寿命适用要求。运用寿命可通过基本额定动载荷来体现，基本额定动载荷越大，寿命越高。基本额定动载荷主要由轴承滚子尺寸参数决定，与滚子直径、数量、长度正相关。一般来说，轴箱轴承的节径越大，轴承内外圈之差越大，滚子直径设计空间越大。

在保证寿命的前提下，应考虑避免轴温异常情况，通常轴承的尺寸越大，回转线速度越高，轴承较容易产生高温情况，选型阶段应充分论证。

3. 滚子结构参数

滚子结构参数主要包括数量、直径、滚子长度、接触角等，在有限的轴承空间尺寸约束下，参数间相互制约。轴承内外圈直径之差约束了滚子直径的设计空间，为保证轴承内外圈具有足够的刚度，滚子直径在满足空间条件基础上尽量做大。

小接触角通常更有利于高转速与径向承载工况，相对适合高速列车的运用工况，大接触角则有利于提高轴承的轴向载荷适应能力。

4. 材料选取

结合国内外轨道车辆轴箱轴承运用情况，轴承内圈、外圈及滚子通常采用渗碳钢或高碳铬轴承钢，可根据实际生产工艺进行选取。

5. 保持架

高速动车保持架采用注塑成型工艺，为窗孔形结构，通常采用聚酰胺保持架、聚苯硫醚保持架、聚醚醚酮保持架，具有重量轻、自润滑、摩擦系数低、阻燃性等特点，依据材料本身特性进行选型使用。保持架应有利于轴承工作时润滑，必要时窗孔大、小端可设有导油槽。

6. 密封结构选型

高速动车组轴箱轴承采用自密封形式，主要包含接触式密封、轻接触密封和非接触密封，依据运用风沙、轴承温升试验情况选择。密封唇可采用丁腈橡胶或氟橡胶材质，丁腈橡胶使用普遍，对燃油、水、矿物油具备良好的承受能力。氟橡胶密封唇具有更好的耐高温、耐腐蚀和抗老化的能力。

7. 游隙设置

为避免过定位，同时考虑便于轴承组装，轴承外圈与轴箱体通常设置小间隙配合。一般情况下，轴承 0 游隙附近可达到最佳工作状态，负游隙容易引起轴承的摩擦情况激增和使用寿命下降等负面影响，轴承应保证处于正游隙状态。

三、寿命与试验评估

轴箱轴承的寿命计算要符合 ISO281 要求，同时开展保持架强度、跌落冲击、无润滑脂运转、防尘防水、润滑脂耐久、温升及耐久性试验，依次对保持架结构强度、振动冲击、润滑异常状态、密封性能、润滑脂耐久和轴承整体温升与耐久性进行评估。

四、结束语

国内高速动车组大部分采用欧系、日系进口轴箱轴承，轴承为寿命管理部件，需定期更换，一旦被国外封锁，高速动车组将影响正常运营。为避免轴箱轴承“卡脖子”问题，应积极推进轴箱轴承自主化设计选型，利用台架试验充分开展地面验证并装车运用，逐步实现自主化轴箱轴承的完全替代。

参考文献：

[1] 韩光旭，周殿买，黄志辉．高速变轨距转向架轴箱轴承选型及寿命评估[J]．机车电传动，2018，No.263（4）：12-15

[2] 严隽耄，傅茂海．车辆工程[M]．北京：中国铁道出版社，2009