一种和谐机车牵引电机轴承设计

张富强

摘要：本文介绍了一种和谐机车牵引电机用轴承结构型式、材料及热处理、内部主参数。根据轴承在和谐机车牵引电机中的运用边界条件进行了设计选型，并对轴承在实际工况下的载荷进行了分析计算。

关键词：牵引电机； 滚轮轴承； 载荷参数；

0   引言

轴承是机车车辆的关键零部件，其性能直接影响机车车辆运行安全。目前，国内机车车辆用轴承全部依赖于进口。轴承为寿命管理部件，需定期更换，一旦被国外封锁，将影响高速列车正常运营。因此，本次针对和谐机车牵引电机用圆柱滚子轴承NU320进行自主化设计。包括轴承内部参数的计算公式和结果；对轴承的当量动负荷、额定动载荷、额定静载荷、基本额定寿命、修正寿命、最高运行转速和极限转速等进行计算，针对力学性能进行计算和仿真分析。

1   总体方案

本文阐述的和谐机车转向架用牵引电机轴承设计技术指标如下：

（1）轴承在正常安装、使用和维护的情况下，NU320轴承使用寿命不小于200±10万公里，轴承理论计算寿命应不小于300万公里。

（2）轴承能保证电机以2662r/min的转速长期运行，并应能承受3195r/min的超速（空载）运行2min。

（3）主要精度指标不低于 P6。

1.1   外形结构和尺寸

牵引电机传动端轴承NU320结构设计上，与目前NU系列相同见下图，外形尺寸D*d*B*C=Φ215*Φ100*47*47（单位：mm），外圈喷涂绝缘涂层，采用整体式实体保持架。

图 1 01-外圈；02-内圈；04-滚子；46-实体保持架

1.2    材料及热处理

机车轴承是在具有复杂的工况环境下运行，要求轴承具有长的使用寿命和高可靠性。因此，除了其轴承结构设计外，轴承材料的选择、原材料的质量、热处理工艺及热处理质量应是基础也是关键。因此，对轴承材料和热处理质量提出很高的要求，才能实现轴承的长寿命和高可靠性。

综合目前国内外各种轴承材料冶炼方法，并结合铁路轴承运转的工况特点和在用牵引电机轴承用材的分析，牵引电机轴承内外圈及滚动体选用 GCr15 制造，钢材应符合 TB/T 3010 的标准，热处理方式采用马氏体淬火，热处理质量按GB/T 34891执行。轴承材料设计如表2：

表2  NU320材料及热处理

零部件名称	材料	热处理
外圈	GCr15	马氏体淬火，S0 回火	TB/T 3010 59~64HRC
内圈	GCr15	马氏体淬火，S0 回火	TB/T 3010 59~64HRC
滚动体	GCr15	马氏体淬火，常规回火	TB/T 3010 60~64HRC

1.3 轴承主参数

根据轴承设计手册进行迭代计算得出设计主参数见表3。

表3  NU320设计主参数

序号	设计参数	值	序号	设计参数	值
1	内径d/mm	Φ100（-0.015~0）	7	滚子组节圆直径Dpw/mm	Φ159.5
2	外径D/mm	Φ215（-0.020~0）	8	滚子数量Z	13
3	内圈宽度B/mm	47（-0.20~0）	9	滚动体修型	对数修型
4	外圈宽度C/mm	47（-0.20~0）	10	滚动体凸度δ/mm	0.015
5	滚子直径Dwe/mm	Φ32	11	径向游隙Gr/mm	0.105~0.140
6	滚子长度L/mm	32	12	额定动载荷Cr（KN）	381
			13	额定静载荷Cor（KN）	427

2计算分析

2.1 功能随机振动时轴系受力分析及计算

牵引电机轴承受力分析等效图如下：

图2  牵引电机轴承受力分析等效图

传动端轴承对电机轴的约束力为Fy1、Fz1，非传动端轴承对电机轴的约束力为Fx1,非传动端轴承NU320对电机轴的约束力Fy2、Fz2，m1为电机转子质量，T为单边磁拉力，m2为斜齿轮质量。受力和力矩方程如下：

其中：

X方向受力：Fx1=(m1+m2)×ax；

Y方向受力：Fy1+Fy2=(m1+m2)×ay+Fr；

Z方向受力：Fz1+Fz2=(m1+m2)×g+(m1+m2)×az+T+Ft；

Y方向力矩：m1×ay×a+(Fr+m2×ay)×(a+b+c)=Fy2×(a+b)；

Z方向力矩：Fz2×(a+b)=(T+m1×g+m1×az)×a+(Ft+m2×g+m2×az)×(a+b+c)； Kmm/=Ka×rp/（a+b）；

Kmw/=Ka×rp/（a+b）；

m1=805，m2=25.5，ax=4.25，ay=2，az=3.7，T=5578.6N。

将上述结果代入方程组，得出Fy1=-9001N，Fz1=-18306.2N，Fx1=3072.85N，Fy2=44345.5N，Fz2=128097.5N：

1= =135.6 KN

Pr=20.40KN

2.2寿命分析

非传动端轴承 NU320额定寿命：

式中： i—传动比；D—半磨耗轮径；

根据理论计算：

表4 和谐机车载荷谱

工况编号	电机转速（r/min）	电机扭矩（N.m）	时间比例（%）	备注
1	0	11852	0.05	电机正反转各占50%
2	1365	8806	9.975
3	2662	4515	9.975
4	2218	5419	30

根据该工况计算轴承综合寿命为：L10=790万公里，计算寿命满足不小于240万公里使用寿命的要求。

2.3极限转速

滚动轴承许用极限转速[nmax]=2·f1·f2·f3·f4·AM/(d+D)：

AM—轴承结构系数，单位为毫米转每分(mm.r/min )；脂润滑的单列短圆柱滚子轴承取43x104 ；

f1 —轴承尺寸影响系数；

F2 —轴承载荷影响系数；

f3 —轴承轴向力载荷影响系数；

f4 —轴承极限转速提高倍数；

故： [nmax]=5760r/min任务书中要求的2900r/min，安全。

2.4 仿真分析

通过ROMAX仿真分析软件，对和谐机车牵引电机轴承NU320进行仿真分析，通过对工况的分析和寿命计算，货运机车工况最为恶劣，在货运机车工况电机刚启动时，轴承工作环境较为恶劣，因此分别对货运机车工况进行ROMAX仿真分析。

图3仿真分析图谱

通过ROMAX仿真分析，牵引电机轴承NU320内圈滚道最大接触应力为1815 Mpa，外圈滚道最大接触应力为1498 Mpa，均小于[σsp]=4200MPa，因此满足使用。

模态分析-青铜材料

牵引电机轴承NU320方案保持架采用青铜材料固有频率计算结果如表5所示：

表5  NU320青铜保持架各阶固有频率

阶 数	一	二	三	四	五	六
频率（Hz）	0	0	0	0	0	0
阶 数	七	八	九	十	十一	十二
频率（Hz）	801.27	801.32	910.11	910.45	2197.0	2197.7

由表中可以看出，保持架的前六阶固有频率均非常接近0，这是由于本次对保持架进行的是自由模态分析，前六阶为自由模态。在后6阶模态出现几个相邻阶次的频率非常接近的现象，结合模态分析的原理分析，这是因为模型的对称性造成的。

表6  NU320齿轮啮合频率

输出转速n（r/min）	1365	2662	2218	1382	1700	2126
齿轮啮合频率（HZ）	477.75	931.70	776.30	483.70	595.00	744.10

给出保持架在自由模态下的一些模态频率对应的振型，结果如图 4- 1 所示。

             

第七阶                第八阶                    第九阶           

            

第十阶                 第十一阶                  第十二阶

通过分析，保持架在第7阶最接近齿轮啮合频率，采用临界转速进行复核，对应的轴承转速远高于轴承的实际转速。

3总结

从轴承寿命、极限转速、力学分析等方面对和谐机车牵引电机轴承NU320进行分析，结论如下：

（1） 按照主机厂提供的边界条件，对NU320进行寿命校核，可满足客运机车和货运机车使用工况要求，计算寿命≥300万公里；

（2） 极限转速＞2662rpm，满足使用要求；

（3） 配合表面粗糙度和形位公差按照P4精度设计，满足使用要求。