大軸重鐵路貨車軸承試驗(yàn)機(jī)

曲圣賢，馬文，姚成良，劉華軍，李信成

(瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)研究中心，遼寧 瓦房店 116300)

為了促進(jìn)鐵路貨車提速和重載運(yùn)行的發(fā)展，鐵道部開(kāi)展了30 t軸重技術(shù)研究，以增加通用貨車軸重技術(shù)儲(chǔ)備，這也對(duì)軸承提出了更高的要求。因此，設(shè)計(jì)了一種鐵路貨車軸承試驗(yàn)機(jī)，以滿足30 t軸重353132X2-2RS和27 t軸重353130X3-2RS-ZC等規(guī)格鐵路貨車軸承性能及壽命的試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)大軸重鐵路貨車軸承在試驗(yàn)臺(tái)架上的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證軸承是否能夠滿足裝車運(yùn)行的要求。

1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

鐵路貨車軸承試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)械、液壓、潤(rùn)滑和電氣控制4部分組成。機(jī)械部分是試驗(yàn)機(jī)的主體，連接所有部件以滿足使用功能并受重承載；液壓部分是試驗(yàn)機(jī)施力的供源；潤(rùn)滑部分主要為主軸軸承提供潤(rùn)滑；電氣控制部分是試驗(yàn)機(jī)指令控制的核心，通過(guò)這幾部分的相互配合，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、加載、檢測(cè)和數(shù)據(jù)輸出。

1—徑向加壓油缸; 2—潤(rùn)滑油箱;3—機(jī)體;4—驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);5—徑向拉壓傳感器 ;6—導(dǎo)桿;7—軸向加壓油缸; 8—導(dǎo)桿螺母; 9—左連接板;10—軸向拉壓傳感器;11—脹緊套;12—T形塊;13—左加壓座;14—脹套鎖緊螺母;15—主軸支承座;16—導(dǎo)桿支座;17—三角帶輪;18—右連接板;19—連接板內(nèi)螺母;20—連接板外螺母;21—右加壓座; 22—加壓座里蓋

1.1 機(jī)械部分

主軸旋轉(zhuǎn)通過(guò)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制，用以滿足速度譜的變化要求。試驗(yàn)機(jī)工作軸承理論最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,相當(dāng)于車速325 km/h。主軸支承座內(nèi)裝有一套雙列圓柱滾子軸承和一套深溝球軸承，采用自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。為避免主軸在受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，防止疲勞斷裂，提高主軸的使用壽命，主軸工作軸承采用脹套鎖緊螺母實(shí)施軸向緊固。如圖2所示，當(dāng)主軸工作軸承裝好后，把內(nèi)錐套靠到工作軸承內(nèi)圈外端面上，然后上緊螺母，這時(shí)，外錐套通過(guò)其內(nèi)錐面把徑向分力傳遞給開(kāi)有軸向長(zhǎng)槽的內(nèi)錐套，使內(nèi)錐套緊緊地固定在主軸上，從而使工作軸承定位。導(dǎo)桿采用銅套導(dǎo)向，為滑動(dòng)摩擦，因此要進(jìn)行定時(shí)潤(rùn)滑，降低摩擦阻力，提高運(yùn)動(dòng)的靈敏性和使用壽命。

1—工作軸承；2—內(nèi)錐套；3—外錐套；4—螺母

1.2 液壓部分

試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理如圖3所示， 液壓系統(tǒng)使用壓力為28 MPa,流量23 L/min,電動(dòng)機(jī)功率11 kW,采用46﹟抗磨液壓油。比例減壓閥根據(jù)輸入的電壓信號(hào)變化輸出所需的出口壓力。軸向加載方式為變向變載，最大加載能力188.8 kN(20 MPa)；徑向加載方式為恒載，兩端各有兩個(gè)油缸實(shí)現(xiàn)，并各自有一個(gè)拉壓傳感器進(jìn)行壓力信號(hào)傳遞；每端徑向最大加載能力251.3 kN(20 MPa)，兩缸總計(jì)502.6 kN。

1—油箱；2—液面計(jì)； 3—加油口； 4—吸油濾油器； 5—電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器鐘罩；6—泵； 7—電磁溢流閥；8—單向閥；9—截止閥；10—蓄能器 ；11—壓力表及開(kāi)關(guān)；12—壓力傳感器；13—比例減壓閥放大板；14—電磁閥； 15—過(guò)濾器；16—風(fēng)冷卻器；17—無(wú)泄漏閥；18，19—液控單向閥 ；20—潤(rùn)滑泵組； 21—精密過(guò)濾器；22—軸向加壓缸；23—徑向加壓缸

如圖3所示，開(kāi)始時(shí)，徑向油缸有桿腔充滿油液，壓力達(dá)到所需壓力，同時(shí)蓄能器儲(chǔ)壓，換向閥換向處于中位，徑向油缸處于保壓狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，壓力降到設(shè)定值之后，高精密小流量無(wú)泄漏閥換向，繼續(xù)給徑向油缸充壓，如此循環(huán)交替進(jìn)行。

1.3 潤(rùn)滑部分

試驗(yàn)機(jī)采用油液循環(huán)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，如圖4所示。油箱設(shè)在機(jī)體內(nèi)部，空間大，散熱快，可減少換油頻率。潤(rùn)滑油泵流量為6 L/min，壓力可調(diào)范圍為0.5～2 MPa,采用精密吸油過(guò)濾器對(duì)油液進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾。流量通過(guò)流量閥調(diào)節(jié)，油箱初次加油量為100 L。主軸軸承在高速旋轉(zhuǎn)下實(shí)現(xiàn)油液潤(rùn)滑，可產(chǎn)生一個(gè)良好的運(yùn)行環(huán)境，也利于主軸軸承的散熱，提高主軸軸承的使用壽命。

1—油箱；2 —濾油器；3— 潤(rùn)滑泵組；4—溢流閥；5—流量閥；6—工作軸承

1.4 電氣部分

鐵路軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的硬件配置如圖5所示，包括工控機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集板、普通數(shù)據(jù)采集板、開(kāi)關(guān)量輸入輸出板及其他輔助部分。其中，高速數(shù)據(jù)采集板采集軸承的振動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)特性。普通數(shù)據(jù)采集板包括D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換兩部分，A/D轉(zhuǎn)換部分用來(lái)采集各種溫度信號(hào)、液壓系統(tǒng)的壓力信號(hào)以及軸承的載荷信號(hào)等；D/A轉(zhuǎn)換部分輸出標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，用來(lái)控制比例閥和變頻器，實(shí)現(xiàn)變載變速。開(kāi)關(guān)量板卡用來(lái)處理系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入輸出，包括液壓系統(tǒng)的啟停、報(bào)警等等。

圖5 試驗(yàn)機(jī)電氣硬件配置圖

2 電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算選擇

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)軸承外形尺寸：Φ150 mm×Φ260 mm×187 mm(353130X3-2RS-ZC)；Φ160 mm×Φ270 mm×195 mm(353132X2-2RS)。最大徑向試驗(yàn)載荷：250 kN。最大軸向試驗(yàn)載荷：100 kN。最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速：1 100 r/min(相當(dāng)于180 km/h)。

2.2 摩擦力矩

試驗(yàn)機(jī)加載如圖6所示,圖中Fa為軸向載荷；Fr為徑向載荷；F1，F(xiàn)2分別為工作軸承1，2的支反力。以30 t軸重353132X2-2RS設(shè)計(jì)參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，確定出工作軸承d=220 mm，分別計(jì)算工作軸承和試驗(yàn)軸承在載荷下的摩擦力矩。取圓錐滾子軸承摩擦因數(shù)為0.003 5，圓柱滾子軸承摩擦因數(shù)為0.002[1]。

圖6 大軸重鐵路貨車軸承試驗(yàn)機(jī)加載簡(jiǎn)圖

由圖6可知，F(xiàn)1=F2=Fr=250 kN，則工作軸承(圓柱滾子軸承)摩擦力矩為

M=0.5F1dμ

=0.5×250 000×0.22×0.002×2(2套軸承)

=110 N·m。

圓錐滾子軸承摩擦力矩為

=269 258 N，

M=0.5F合dμ

=0.5×269 258×0.16×0.003 5×2(2套軸承)

=151 N·m，

M總=110+151=261 N·m。

2.3 電動(dòng)機(jī)功率

由已知參數(shù)計(jì)算得電動(dòng)機(jī)功率為[2]

P=Mn/9 550

=261×1 100/9 550=30 kW 。

因此，選擇電動(dòng)機(jī)功率為45 kW。

3 試驗(yàn)機(jī)工作原理

如圖1所示，試驗(yàn)機(jī)可模擬機(jī)車車輛軸承實(shí)際工作狀態(tài)，自動(dòng)施加線路載荷譜、速度譜及環(huán)境風(fēng)速譜，施加如正弦波、三角波、矩形波及梯形波等各種波形的載荷，對(duì)機(jī)車車輛軸承實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。測(cè)量和控制部分由工控機(jī)統(tǒng)一完成。測(cè)量部分包括溫度、振動(dòng)、載荷、風(fēng)速等信號(hào)的采集和實(shí)時(shí)顯示，所有測(cè)量的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理；控制部分包括對(duì)軸向、徑向載荷的閉環(huán)控制和對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的變頻控制。

大軸重鐵路貨車軸承試驗(yàn)機(jī)軸向加壓油缸利用作用力與反作用力原理，通過(guò)雙導(dǎo)桿，對(duì)2套被試軸承同時(shí)加壓，軸兩端的2套被試軸承所受的拉力或壓力同時(shí)作用在軸上，大小相等，方向相反。工作軸承、機(jī)架理論上不承受軸向力。如圖1b所示，液壓缸前腔進(jìn)油時(shí)，通過(guò)活塞桿、拉壓傳感器、T形塊和加壓座把力傳到被試軸承上，左端被試軸承受拉。同時(shí)，油液沿著相反方向也把力通過(guò)左連接板、雙導(dǎo)桿、右連接板和右加壓座加到右試驗(yàn)軸承上，因此，右端被試軸承也受拉。當(dāng)液壓缸后腔進(jìn)油時(shí)，油液的作用原理和前腔進(jìn)油的原理相同，方向相反，2套被試軸承同時(shí)受壓。

當(dāng)2套軸承同時(shí)試驗(yàn)時(shí)，2個(gè)導(dǎo)桿上的脹緊套(4個(gè))處于松弛狀態(tài)，此時(shí)導(dǎo)桿起傳遞力的作用，左、右試驗(yàn)軸承同時(shí)被加載。當(dāng)單套軸承獨(dú)立試驗(yàn)時(shí)，被試軸承應(yīng)安裝在左端位置上，2個(gè)導(dǎo)桿上的脹緊套處于脹緊狀態(tài)，且其端面必須靠在兩導(dǎo)桿支座的相應(yīng)外端面上，此時(shí)導(dǎo)桿不起傳遞力的作用，只起反向拉桿作用。這時(shí)，右側(cè)一端要選用軸向游隙較小不需試驗(yàn)的相同型號(hào)軸承，并且把右T形塊軸向2個(gè)端面的間隙用墊片消除，用以抵抗來(lái)自對(duì)面施加的軸向載荷, 避免主軸支承座軸承受軸向力。

如圖1b所示，組裝2個(gè)導(dǎo)桿兩端的左、右連接扳時(shí)，由于導(dǎo)桿可能會(huì)竄位，造成組裝后位置與理論位置不符，影響正常工作。因此，組裝后要檢查油缸后出桿的位置，當(dāng)油缸后出桿的棱邊距缸筒后端面為45 mm時(shí)，這時(shí)活塞的位置處于缸筒的正中位置，工作可靠。當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸向加壓油缸后出桿的棱邊距缸筒后端面位置不對(duì)(或大或小)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整無(wú)缸側(cè)的連接板內(nèi)、外螺母，借助點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)油缸調(diào)整后出桿位置。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以30 t軸重鐵路貨車軸承353132X2-2RS為例，對(duì)其在各工況條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和溫升進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鐵路貨車軸承353132X2-2RS運(yùn)轉(zhuǎn)溫度和溫升

由表1可知，在初始“運(yùn)行1”的20～30 h內(nèi)，軸承的溫度較高，在第1個(gè)110 km/h速度級(jí)下2套軸承的溫度均達(dá)到最高，左軸承最高溫度為72.29 ℃，右軸承最高溫度為71.95 ℃。在“運(yùn)行2”階段，第1個(gè)和第10個(gè)20 h循環(huán)試驗(yàn)中兩軸承的溫度、溫升曲線如圖7所示。由圖可知，試驗(yàn)軸承的溫度、溫升基本趨于穩(wěn)定。

1—左軸承溫度；2—左軸承溫升；3—右軸承溫度；4—右軸承溫升;5—環(huán)境溫度

5 結(jié)束語(yǔ)

大軸重鐵路貨車軸承試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)裝車前軸承的性能質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判，可依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范對(duì)軸承的旋轉(zhuǎn)性能、載荷作用下工作狀態(tài)、磨損疲勞壽命等進(jìn)行檢驗(yàn)，為軸承失效分析、壽命計(jì)算等提供依據(jù)，可以形成完整的生產(chǎn)、檢測(cè)、試驗(yàn)保證體系，不斷完善和指導(dǎo)軸承產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。