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轴承游隙和环境温度对铁路车辆用小齿轮轴承性能的影响(一)

2022-08-15 11:20 发布

日本铁路车辆(动车)中传递驱动力的齿轮传动装置大多数采用一级减速器。齿轮传动装置由通过联轴器连接到牵引电机的小齿轮、安装在轴上的齿轮和齿轮箱组成。在这些旋转部件中,日本主要使用圆锥滚子轴承。安装在小齿轮轴上的2套圆锥滚子轴承被称为小齿轮轴承,用于将小齿轮轴支承于齿轮箱。同样地,安装在大齿轮轴上的2套圆锥滚子轴承被称为大齿轮轴承,用于支承大齿轮轴。这些轴承由齿轮飞溅出的齿轮油进行润滑。在这些轴承中,小齿轮轴承的转速高于大齿轮轴承的转速,因此,在滚子端面与内圈挡边的接触面处,小齿轮轴承的滑动速度高于大齿轮轴承。在小齿轮轴承中,滚子端面与内圈挡边的润滑不足可能会导致金属与金属间接触而发生卡死现象。为了防止小齿轮轴承卡死和提高齿轮传动装置的可靠性,除了管理润滑油外,还应正确控制轴承游隙。尽管在装配齿轮传动装置时,轴承游隙通常调整在规定范围内,但在车辆行驶过程中,由于轴承周边部件的温度变化,其可能会从初始值发生改变。此外,轴承游隙改变的趋势和量值也会发生变化,这取决于轴承初始游隙和环境温度。通过对小齿轮轴承进行基本的运转试验,Takahashi等在2019年已研究并发布过轴承温度和转矩在各种运转条件、润滑条件和轴承游隙下的差异化反应:轴承转矩和来自轴承的发热量会随着齿轮油温度的降低、齿轮油流速的增大和轴承游隙的减小而增大。另一方面,上述研究在齿轮油循环润滑下进行,所以在齿轮飞溅润滑下实际齿轮传动装置上安装的小齿轮轴承的性能和行为存在许多未经验证的项目。因此,在本研究中通过对实际齿轮传动装置进行台架运转试验,研究了轴承初始游隙和环境温度对轴承温度和转矩的影响。此外,在齿轮传动装置运转过程中,轴承游隙的变化由轴承周边部件的温度变化估算出来。

1 试验装置1.1 齿轮传动装置试验台

本次研究所用的齿轮传动装置试验台如图1所示。这种运转试验机的结构是一根小齿轮轴由一个电机通过一个柔性凸缘轴联轴器带动旋转,采用一个实际的齿轮传动装置作为试验台。齿轮传动装置连接到一根轴上,并由轴两端的2套轴承和悬挂齿轮箱的连杆机构进行支承。电机额定功率为22 kW,额定转速为6 000 r/min。鼓风机安装在齿轮传动装置和支承轴承附近,以便在运转试验过程中发热时对其进行冷却。

图1 齿轮传动装置试验台

试验的齿轮传动装置的技术参数见表1,齿轮传动装置的示意图如图2所示。减速齿轮机构由一个左旋小齿轮和一个右旋大齿轮组成。小齿轮轴上的小齿轮两侧安装小齿轮轴承,用于将小齿轮轴支承于齿轮箱。大齿轮轴上的大齿轮两侧安装大齿轮轴承,用于支承大齿轮轴。小齿轮轴承的内圈安装在小齿轮轴上,大齿轮轴承的内圈安装在大齿轮轴上。这些轴承的外圈过盈安装到齿轮箱的轴承座上。齿轮箱采用铝合金制成,齿轮油储存在齿轮箱内。

表1 试验的齿轮传动装置的技术参数

图2 试验的齿轮传动装置的示意图

1.2 测试项目

当齿轮传动装置运转时,可测试其温度、振动加速度和小齿轮轴的转速和转矩(图3)。总共在7处位置用K型热电偶进行温度测量,包括小齿轮轴承和大齿轮轴承的外径面、齿轮箱的表面、齿轮油和环境的温度。采用压电加速度计测量小齿轮轴承处的振动加速度。采用光电旋转探测器测量小齿轮轴转速。根据电机的电流值计算小齿轮轴转矩。此外,采用小型温度数据记录仪测量小齿轮轴端部温度(图4)。

图3 测试项目(箭头所指为齿轮传动装置各部位的温度)

图4 小齿轮轴端部的测量

1.3 试验轴承

在本研究中重点关注小齿轮轴承(以下简称轴承),其为单列圆锥滚子轴承,外径为150 mm,内径为70 mm,宽度为38 mm,见表1。外圈、内圈和滚子均采用高碳铬轴承钢(JIS SUJ2)制造。保持架采用低碳钢制造。轴承游隙(2套轴承轴向的组合游隙)可通过在齿轮箱与轴承座之间插入不同厚度的垫片来调整(图5)。

图5 调整轴承游隙的方法

2 试验方法

运转试验在表2所示的恒定条件下进行。小齿轮轴的运转模式如图6所示。小齿轮轴的旋转方向被设置为从电机侧视图的顺时针方向(图2中箭头指示的方向)。运转开始后,小齿轮轴转速在315 s内达到6 000 r/min,对应的车辆速度约为320 km/h。齿轮油的用量为2.95 L。在试验过程中,当小齿轮轴转速达到200 r/min及以上时,对齿轮箱和支承轴承进行风冷。

表2 固定的试验条件

图6 运转模式

在表2所示的恒定条件下,小齿轮轴承的轴向游隙和环境温度发生了不同程度的变化,如表3和图7所示。由于齿轮箱和小齿轮轴由表1所示的不同材料制成,轴承游隙的变化取决于齿轮传动装置的温度。本文中的轴承游隙表示为将装配时的实测值转换为20 ℃时所得到的值。

表3 变化的试验条件

图7 试验条件

3 齿轮传动装置各部位温度变化和小齿轮轴转矩3.1 轴承游隙的影响

齿轮传动装置各部位温度变化和小齿轮轴转矩如图8所示,其是在环境温度接近20 ℃的条件下,从运转开始到3 600 s内对试验组1,6,15和不同轴承游隙进行组合试验而得。无论在何种试验条件下,在测得的各部位温度中,小齿轮轴端部温度最高,并且随着轴承游隙的减小,从运转开始到约600 s内温度迅速上升。特别是当轴承游隙为0.06 mm时,在运转开始后600 s内温度达到约80 ℃,上升停止一段时间后又缓慢上升。这被认为是由于轴承内部摩擦阻力和滚动黏滞阻力的增加所导致。这些阻力的增加是由于在相对较小的游隙施加载荷而带来的大范围的承载区和大量的滚子承载。尽管其不像上述的小齿轮轴端部温度的变化趋势那么显著,但当运转开始后,轴承外圈温度迅速升高,因为电机侧和电机反向侧的轴承游隙都较小。上述趋势在齿轮箱表面和齿轮油的温度作用下进一步减弱。这些趋势的强度可能归因于试验中的主要热源是小齿轮轴承,并且内圈温升最大。小齿轮轴转矩在运转开始后立即达到最大值,然后减小,约1 000 s后几乎保持不变。小齿轮轴的最大转矩随着轴承游隙的减小而增大。虽然小齿轮轴转矩包括小齿轮轴承以外的转矩(例如大齿轮轴承的转矩和齿轮油的搅拌阻力),但在仅对小齿轮轴承进行的运转试验中,Takahashi等在2019年已证实了随着轴承游隙的减小,轴转矩增大。因此,可认为轴承游隙对上述转矩差异的影响最大。

图8 轴承游隙对齿轮传动装置温度和小齿轮轴转矩的影响

3.2 环境温度的影响

齿轮传动装置各部位温度变化和小齿轮轴转矩如图9所示,其是在轴承游隙接近0.11 mm的条件下,从运转开始到3 600 s内对试验组6~9和不同环境温度进行组合试验而得。无论在何种试验条件下,在测得的各部位温度中,小齿轮轴端部温度最高,并且随着环境温度的降低,从运转开始到约600 s内温度迅速上升。特别是当环境温度为9.1 ℃时,在运转开始后600 s内温度达到约80 ℃,上升停止一段时间后又缓慢上升。这被认为是由于相对较低的环境温度导致轴承内齿轮油的滚动黏滞阻力和搅拌阻力的增加而形成。在仅对小齿轮轴承进行的运转试验中,Takahashi等在2019年已证实轴承的发热量随着齿轮油温度的降低和齿轮油黏度的增加而增加,这可解释上述温度上升的趋势。轴承外圈、齿轮箱和齿轮油的温度变化趋势与3.1节所述的相同。小齿轮轴转矩在运转开始后立即达到最大值,然后减小,约1 000 s后几乎保持不变。随着环境温度的降低,小齿轮轴转矩的最大值增大。这是因为齿轮油的黏度随着环境温度的降低而增加,轴承内部的滚动黏滞阻力和齿轮油的搅拌阻力增加。

图9 环境温度对齿轮传动装置温度和小齿轮轴转矩的影响

3.3 小齿轮轴端部温度和小齿轮轴转矩

如3.1节和3.2节所述,试验条件的差异最明显地影响了小齿轮轴端部温度。特别是从运转开始到约600 s内温度升高变化在很大程度上取决于试验条件的不同。因此,从表3所示的每次试验结果来看,小齿轮轴端部温度的最大增速(每10 s的温升)概括在关于轴承初始游隙EP20(表3所示的小齿轮轴承的轴向游隙)和环境温度的等值线图中,如图10所示。图中的白色区域是未进行运转试验而没有获得数据的区域。随着EP20和环境温度的降低,小齿轮轴端部温度的最大增速趋于增加。特别是当EP20小于0.14 mm时,随着EP20的降低,小齿轮轴端部温度的最大增速迅速增加。

图10 小齿轮轴端部温度的最大增速

研究表明,试验条件的不同也会影响小齿轮轴转矩。因此,从表3所示的每次试验结果来看,小齿轮轴转矩的最大值概括在关于轴承初始游隙EP20和环境温度的等值线图中,如图11所示。随着EP20和环境温度的降低,小齿轮轴转矩的最大值趋于增加。

图11 小齿轮轴转矩的最大值

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