重载铁路货车车轴及轴承的技术发展

陈!雷 ! 我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展 ! 刁克军 !
! ! 车轴载荷作用点的距离 " ) =! N6 M6 :! 轴颈根部的弯矩 # $各力在轴颈根部处引起的弯矩 % &
N6 1! 各型车轴的弯曲变形 按照 欧 洲 L 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 故 仅给 出 S 车轴的弯曲变形分布基本一样 + L ) _ 型车轴 的变形示意图 # 见 图 ($ & 各型车轴在相关部位的弯曲 变形量见表 )"
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求解方程 & ’ 即可得到分布参数 # & $ % @ ) (! ! " ’8( 图 ! 表示了拟合结果 % # @ ( ) &! 7 ’$ @ $ ) &#% ’)
Baidu Nhomakorabea
" 编辑 & 田玉坤 $
图 1! 拟合结果
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铁道车辆 ! 第 ! ! 卷第 " 期 ) $ $ "年"月!
L V A S L ) S L ) B S L ) _ S T ) S T ) _
! ! 应力集中系数 + 根据 L 7! =& ( & $ (% ) $ $ & 标准 中的图 # 查 得 + 与系 数O ) ) 其 N, & N 有 关+ 中+ O为 截 面 过 渡 处 的 圆 弧 半 径+ & 为防 尘板座直径 " L =& ( & $ (% ) $ $ & 标准 中 规 定 B & = 钢的轴颈许用 应 力为 & + 我国的 I $ $ 9E 5 PQ 钢及 BBS 标准的 V 类 钢的性能与欧洲标准的 B 计算中的许用应 & = 钢相当 + 力取值与 B 钢相同 " 计算结果见表 & = &"
图 :! 载荷示意图 图 N!" , " , " , :! : K! : S 型 M 种车轴的结构示意图
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 & + 计算过程如下 " ( 圆弧处 ! N6 M6 N! 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 ) 所 示"
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1! 结论
) ) ) &) # ( IC f ’ I6 dI6 :$ dI9 : dIK : NL ML M! 轴颈根部处应力值 M !f 7 *IC) ( 式中 % ! ! 截面抗弯模量 + ) M! M f% N ( )& ! ! 车轴轴颈名义直径 & N! )
轴端相对 根部变形 &6 ( $ # &6 ) $ $ $6 + ’ + $6 % # " $6 % # & $6 " + ) $6 % + " $6 " + )
I6 f3& 9 # $制动在轴颈根部处引起的附加弯扭矩 % ) 对于单侧踏面制动 I6 :f J, $ 9 I9 :f $ IK :f J, # &d $$ 9 式中 % ! !& 个车轮与闸瓦之间的总压力 & J, ! ! ! ! 车轮与闸瓦之间的摩擦因数 & $
! ! 计算截面距 3& 的距离 " 9! # $在轴颈根部处的合成弯矩 % (
!专 题 报 道
文章编号 ! " # N 5 5 : * 6 ! 5 : : 5 5 ! 5 ! * 5 5 5 6 * 5 4
铁道车辆 ! 第 ! ! 卷第 " 期 ) $ $ "年"月
我国重载铁路货车车轴及轴承的技术发展
刁 克 军&! 陈 ! 雷)
" 中国北车集团四方车辆研究所 研究试验部 ! 山东 青岛 ) &6 " " $ ( &# 铁道部运输局装备部 货车处 ! 北京 & $ )6 $ $ + ! ! 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 ! ? ) % $6 ( ( &d 6 )!!! 文献标识码 ! _
N6 :! 国内车轴 我国 最 早 用 于 ) #, 轴 重 铁 路 货 车的 滚 动 轴 承 车 轴 为 S 车轴载 L )型! 荷中心距为 &’ 车轴载荷中心 # "88! 到轴颈根部 的 距 离 为 & ( # 88" 因 车 轴载荷中心距短增加了转向架结构的 且当时设计的轴承外形比 设计难度 ! 较大 ! 过于笨重 ! 故S L ) 型车轴仅进行 了装车运用考验而未大量推广使用 " 车 & ’ ’ +年 设 计 了 S L ) B 型 车 轴! 车轴载荷 轴载荷中心距为 &’ + &88! 中心到 轴 颈 根 部 的 距 离 为 & ) # 88" 与S 载荷中心距增加 L )型 车 轴 相 比! 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 应力集中 C ) #88 增 加 到 C ! $ 88! 系数 降 低 了 ( 该轴代替了 S @ &i # L ) 型车轴用于重载车辆 " 在S 既 L S L )$ ) B 型 车 轴 设 计 中! 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 ) 种有卸荷槽 和 & 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 ! ) $ $ #年为% $, 级 车 轴 载 荷 中 心 距 仍 为 &’ 车设 计 了 S L + & ) _ 型 车 轴! 车轴载荷 中 心 到 轴 颈 根 部 的 距 离 为 & 进 88! & $ 88! 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 ! S L ) _ 型车轴轴颈和防尘板 座 仅 采 用 了 无 卸 荷 槽 & 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 " " S L S L S L )$ ) B$ ) _ 型 ( 种车轴的结构见图 & N6 M! 各型车轴轴颈根部处应力值 根据 欧 洲 L 铁 路 应 用’轮 对 轴 =& ( & $ (% ) $ $ && 箱 ’ 非动 轴 ’ 设 计 方 法 ( 标 准! 对 符 合 BBS 标 准 的 L$ V$ A 型车轴及国内的 S L S L S L S T )$ ) B$ ) _$ ) 及 完成 设 计 但 未 推 广 使 用* 型车轴轴颈根部) 原 S T ) _) ,H ,
图 M! 轮对的弯曲变形 表 N! 各型车轴主要参数及轴颈根部应力值
轴型 轴重 ) , L V A S L ) ) !6 ’ ( )6 ! ( )6 ! ) # 轴颈中心到根 部距离) 88 & # $6 + & " (6 # & ) (6 ( & ( # & ) # & & $ & ) # & $ $ 轴颈直 径) 88 & ! !6 # ! & # %6 ) ! & # %6 ) ! & # $ & # $ & # $ & ( $ & ( $ 全长 ) 88 中心距 ) 88 轴颈根部 安全
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 !
) * 疲劳应用统计学 ) 北京 # 国防工业出版社 ! & 9* 6 & ’ + "6 ! 高镇同 6 ) * 王中保 6抗疲劳设计 + + + 方法与 数 据 ) ) 9* 6北 京 #机 械 ! 赵少卞 ! 工业出版社 ! & ’ ’ %6 ) * 缪 龙 秀! 等 6提 速 客 车 转 向 架 动 应 力 分 布 拟 合 的 研 究 ( ! 李 ! 强! ) * 铁道学报 ! & ’ # X 6 ) $ $ &! ) & ! & $ #+& $ +6
称 BBS’ 制定 的 标 准 %BBS 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! BBS 早 期 标 准 中规定的 _" >" T" L" V" O 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 ! BBS 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 L" V" O 轴 分 别 称 为 I" A" 其 中 A 型 轴 已 纳 入 了 BBS 标 准 % 另 外 ! 随着 9 型! 运输发展的需要 ! 在 新 修 订 的 BBS 标 准 中 取 消 了 _" > 型车轴 %
!! 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 降低了车轴轴颈根部应力和弯曲变形 $ 对轴承内 距离 ! 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 %
图中各载荷值如下 % 增载侧轴颈载荷 % + * 3 $ @ " ) # d $ @ $ + %# D = ( E &f) & & 减载侧轴颈载荷 % + * 3 $ @ " ) # e $ @ $ + %# D = ( E )f) & & 增载侧车轮受轨道的横向反力 % F& f$ @ ( #(& E 减载侧车轮受轨道的横向反力 % F) f$ @ & % #(& E 车轴所受横向力 % Gf F& e F) f$ @ & % #(& E 式中 % ’ ’ 作用 在 轴 颈 上 的 质 量 ! 等于车辆轴重减 (& ’ 轮对质量 # ’ ’ 载荷中心到车轴中心线的高度 # D &’
表 :! 各型车轴在相关部位的弯曲变形
轴型 轴身最大 变形 &6 # & ! &6 & ! ! &6 & ! + $6 + % " $6 ’ & + $6 ’ & + $6 ’ % + $6 ’ % + 载荷中 心变形 e&6 ) ! & e&6 & % & e&6 & # $ e$6 + ( # e$6 ’ $ $ e$6 + ’ " e$6 + + % e$6 + % ! 轴端 变形 e&6 + ! & e&6 % & + e&6 # " $ e&6 & " # e&6 ) ! ( e&6 ) ) $ e&6 ) ( & e&6 ) $ % 88
N! 车轴的发展
N6 N! 国外车轴 美国 " 澳大利亚 " 巴西及南非等国家的铁路重载运 其货车的轴重达到了( 实现 输比较发达 ! $, 及 以 上 ! 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 # ) $ $ " * $ ! * $ ( 作者简介 # 刁克军 & ’ ! 男! 高级工程师 % & ’ " & *