一种HXN5B-DF8B抱轴箱轴承设计

王志民

摘要：本文介绍了一种HXN5B-DF8B抱轴箱轴承结构型式、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：抱轴箱轴承； 滚动轴承； 载荷参数；

0   引言

HXN5B型交流传动调车内燃机车是为解决我国目前各编组站牵引定数不相匹配，解决运力瓶颈而研制的，适用于大、中型编组站的编组、调车作业及小运转。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。通过分析现有机车相关技术文件结合HXN5B-DF8B抱轴箱轴承检修维护要求、整理得到包括机车牵引驱动系统轴承运用环境边界条件、载荷边界条件、轴承的冲击、振动边界条件、应用边界接口条件以及寿命边界条件，指导了轴承产品设计。本次针对HXN5B-DF8B抱轴箱轴承ZTB240X320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HXN5B-DF8B抱轴箱轴承设计技术指标如下：

（1）抱轴箱轴承免维护周期≥100 万公里、计算寿命≥300 万公里；

（2）主要精度指标不低于 P5；

（3）满足对在用轴承对等替代。

1.1   外形结构和尺寸

HXN5B-DF8B抱轴箱轴承ZTB240X320结构设计上，外形尺寸D*d*B*C*T=Φ320*Φ240*51*39（单位：mm），采用钢板冲压实体保持架。

图 1 01-外圈；02-内圈；04-滚子；07-保持架

1.2    材料及热处理

材料是轴承质量的基础，为了使轴承获得长寿命、持久的高精度和低摩擦，轴承材料须具有硬度高、耐磨性好、纯洁度高、组织稳定性好、抗疲劳强度高等特点，套圈及滚动体材料既要有足够的强度又要有足够的耐磨性。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轴承材料的分析，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，保持架采用08Al。轴承材料设计如表2：

表2  ZTB240X320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
保持架	08Al	/

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  ZTB240X320设计主参数

序号	设计参数	值	序号	设计参数	值
1	内径d/mm	Φ240（-0.030~0）	8	滚动体修型	圆弧修正母线修型滚动体
2	外径D/mm	Φ320（-0.040~0）	9	额定动载荷Cr（KN）	439
3	内圈宽度B/mm	51（-0.30~0）	10	额定静载荷Cor（KN）	941
4	外圈宽度C/mm	39（-0.30~0）	11
5	滚子长度L/mm	36.985	12
6	接触角α	17°	13
7	滚子数量Z	38	14

2计算分析

2.1 功能随机振动时轴系受力分析及计算

抱轴箱轴承受力分析等效图如下：

图2  抱轴箱轴承受力分析等效图

悬挂载荷分析见图2，模型适用于车轴侧采用抱轴方式，另一侧单点悬挂的驱动装置中抱轴承的受力分析。以两齿轮中心线为x轴，以车轴中心线为y轴，z轴垂直于x-y平面。

其中：

垂向振动载荷引起的扭矩:M3=a4*5G*cosγ；

垂向振动载荷作用于车轴中心线坐标零点的载荷:FVG＇=5G*cosγ*(D-E)/D；

非齿端抱轴承支反力:FVG1=FVG*（B-F）/(A+B)；

齿端抱轴承支反力:FVG2=FVG*（A+F）/(A+B)；

驱动重力作用于车轴中心线坐标零点的径向分力:FHG=5G*sinγ；

非齿端抱轴承支反力:FHG1=FHG*（B+F）/(A+B)；

齿端抱轴承支反力:FHG2=FHG*（A-F）/(A+B)；

M1 引起的非齿端抱轴承支反力: F1M3=M3*(A+B)；

M1 引起的齿端抱轴承支反力:F2M3=-M3*(A+B)；

非齿端抱轴承所受重力载荷:F1G=FVG1+F1M3；

齿端抱轴承所受重力载荷:F2G=FVG2+F2M3；

齿轮啮合轴向力:Fy=1.5G；

非齿端抱轴承支反力:FHy1=-d2/2*Fy/(A+B)；

齿端抱轴承支反力:FHy2=d2/2*Fy/(A+B)；

经上述计算，得出正转Pr1=20.40KN；翻转Pr2=71.99KN；总当量动载荷Pr=60.16KN。

2.2寿命分析

非齿端轴承ZTB240X320额定寿命：

式中： i—传动比；D—半磨耗轮径；

根据理论计算：

根据该工况计算轴承综合寿命为：L10=248.6万公里，修正寿命L10-km-90=1606万公里，计算寿命满足不小于300万公里使用寿命的要求。

2.3 仿真分析

通过ROMAX仿真分析软件，对HXN5B-DF8B抱轴箱轴承ZTB240X320进行仿真分析，通过对工况的分析和寿命计算，轴承工作环境较为恶劣，因此对HXN5B-DF8B工况进行ROMAX仿真分析。

图3仿真分析图谱

通过ROMAX仿真分析，抱轴箱轴承ZTB240X320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-08Al

抱轴箱轴承ZTB240X320方案保持架采用08Al材料固有频率计算结果如表5所示：

表5  ZTB240X320的08Al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）	177.23	177.23	386.5	386.51	471.12	471.13
阶 数	十三	十四	十五	十六	十七	十八
频率（Hz）	834.78	834.8	1166.3	1166.4	1248.1	1248.1

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。

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。

             

第十三阶               第十四阶                  第十五阶           

             

第十六阶                第十七阶                  第十八阶

图 4- 1

通过分析，保持架在高转速时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、力学分析、模态分析等方面对和谐机车牵引电机轴承ZTB240X320进行分析，结论如下：

（1） 按照主机厂提供的边界条件，对ZTB240X320进行寿命校核，可满足HXN5B-DF8B机车使用工况要求，计算寿命≥300万公里；

（2） 最大接触应力≤4200MPa，满足使用要求；

（3） 配合表面粗糙度和形位公差按照P5精度设计，满足使用要求。