作者：大西真吾 加藤弘之 戶谷仁史 戶田拓矢
翻譯：洛陽(yáng)LYC軸承有限公司技術(shù)中心 張藝
摘 要：高速列車車軸軸承制造商面臨著越來(lái)越高行駛速度引發(fā)軸承溫度升高的問(wèn)題。特別是，油的攪動(dòng)引起油浴潤(rùn)滑產(chǎn)生大量的熱。為了解決這一問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了附加零件，通過(guò)控制軸箱中油的流動(dòng)，將升溫量減少了10%。本文介紹這種低升溫化技術(shù)。
關(guān)鍵詞：高速列車；油浴；低溫；圓錐滾子軸承；油攪動(dòng)；新干線
1 引言
自1964年?yáng)|海道新干線開(kāi)通以來(lái)，作為日本交通基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的新干線，通過(guò)提高行駛速度，為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)做出了貢獻(xiàn)。開(kāi)通時(shí)東海道新干線的最高行駛速度是時(shí)速210公里，但到了2021年已經(jīng)提高到了285公里。現(xiàn)在，東北新干線還在進(jìn)一步高速化，目標(biāo)是在延伸至札幌時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)速360km。目前正在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)（圖1）。隨著高速化，車軸軸承（圖2）的升溫量（軸承溫度減去環(huán)境溫度）也在上升，如何抑制軸承發(fā)熱成為亟待解決的問(wèn)題。
高速列車車軸軸承主要有3種規(guī)格（圖3）。其中，油浴潤(rùn)滑是自新干線開(kāi)通以來(lái)一直使用的一種高度可靠的方式，因?yàn)檫@種方式無(wú)需拆卸軸承，通過(guò)油窗或磁塞就可以檢查殼體內(nèi)軸承和潤(rùn)滑油的狀況。但是，與潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑相比，存在溫度較高的缺點(diǎn)。本文中對(duì)油浴潤(rùn)滑圓錐滾子軸承的研究重點(diǎn)是抑制發(fā)熱，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品成功地將外圈升溫量降低了6℃（10%）。本文介紹這種低升溫化技術(shù)。
2 開(kāi)發(fā)的目標(biāo)
高速列車車軸用油浴潤(rùn)滑圓錐滾子軸承由多列構(gòu)成，周圍覆蓋外殼。外殼上有名為“油池”的凹槽。該凹槽中，從車軸中心向下80mm處充滿了潤(rùn)滑油。軸承停止運(yùn)行時(shí)，最下部一半左右浸在潤(rùn)滑油中；運(yùn)行時(shí)，軸承旋轉(zhuǎn)帶起潤(rùn)滑油并涂到相關(guān)部位。本研究中，我們?cè)谠囼?yàn)時(shí)，通過(guò)安裝在外圈外徑面上部的熱電偶和安裝在外殼下部潤(rùn)滑油中的熱電偶測(cè)量升溫情況，監(jiān)視軸承狀態(tài)（圖4）。
根據(jù)以往JTEKT內(nèi)部試驗(yàn)的結(jié)果，比較油浴潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑可知，速度對(duì)溫升的影響明顯不同。在時(shí)速為400km時(shí)，由于溫度升高，這兩種潤(rùn)滑方式會(huì)出現(xiàn)約30℃的差異（圖5）。
圓錐滾子軸承發(fā)熱的主要原因是滾動(dòng)粘性阻力、潤(rùn)滑油的攪動(dòng)阻力、內(nèi)圈滾子大端面的滑動(dòng)阻力等，但是在油浴潤(rùn)滑軸承中，潤(rùn)滑油的攪動(dòng)阻力是發(fā)熱的主要原因。JTEKT在汽車用差速器軸上使用的LFT（低摩擦扭矩）軸承1）中，通過(guò)在保持器結(jié)構(gòu)上下功夫來(lái)抑制潤(rùn)滑油的攪動(dòng)阻力，與以往產(chǎn)品相比，扭矩降低量最大可達(dá)50%以上（抑制攪動(dòng)阻力）。參考該技術(shù)，本研究的目的是不改變外殼結(jié)構(gòu)和油量，只通過(guò)改變軸承周圍的結(jié)構(gòu)來(lái)減小潤(rùn)滑油的攪動(dòng)阻力，抑制高速行駛時(shí)的發(fā)熱量。
3 高速行駛條件下的潤(rùn)滑油行為
3.1 潤(rùn)滑油行為的推測(cè)（高速行駛條件）
為了減小潤(rùn)滑油的攪動(dòng)阻力，有必要掌握旋轉(zhuǎn)過(guò)程中殼體內(nèi)部潤(rùn)滑油的狀態(tài)，并使用丙烯酸制透明殼體以便于觀察。但是，由于丙烯酸制透明殼體的耐久性問(wèn)題，在相當(dāng)于實(shí)車的高速行駛條件下進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。因?yàn)椴槐阌谟^察，因此決定利用CAE分析技術(shù)。首先在低速行駛條件（轉(zhuǎn)速：500min-1）下，通過(guò)丙烯酸制透明外殼和使用高速攝像機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行可視化。接著，同樣在低速行駛條件下進(jìn)行CAE流體分析。確認(rèn)潤(rùn)滑油的流動(dòng)可以再現(xiàn)后，以高速行駛條件（旋轉(zhuǎn)速度：2418min-1；車速：相當(dāng)于時(shí)速360km）進(jìn)行CAE流體分析，確定了潤(rùn)滑油攪動(dòng)狀態(tài)（圖6）。
3.2 臺(tái)架可視化試驗(yàn)結(jié)果（低速行駛條件）
使用丙烯酸制透明殼體和高速攝像機(jī)，在 涂潤(rùn)滑油的正面和其相反的背面兩個(gè)方向進(jìn)行觀察（表1、圖7）。通過(guò)觀察確定了以下情況：在正面，潤(rùn)滑油被帶起時(shí)，從軸承底部滾子的大端面流入，并通過(guò)滾動(dòng)面向小端面流動(dòng)（圖8）；在背面，流向小端面的潤(rùn)滑油被推回并從軸承上部的大端面排出（圖9）。
3.3 CAE流體分析結(jié)果（低速行駛條件）
在與臺(tái)架試驗(yàn)相同的條件下，進(jìn)行CAE流體分析。在正面，和臺(tái)架試驗(yàn)一樣，潤(rùn)滑油被帶起時(shí)從大端面流入，通過(guò)滾動(dòng)面流向小端面（圖10）；在背面潤(rùn)滑油被推回，從大端面排出（圖11）。
可以確認(rèn)，潤(rùn)滑油流入、排出方向和相位的臺(tái)架試驗(yàn)和CAE流體分析結(jié)果近似 。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，在低速行駛條件下，通過(guò)CAE流體分析可以再現(xiàn)相當(dāng)于實(shí)機(jī)的潤(rùn)滑油流動(dòng)情況。因此，我們認(rèn)為在高速行駛條件下可以通過(guò)CAE流體分析來(lái)估算潤(rùn)滑油的行為。
3.4 CAE流體分析結(jié)果（高速行駛條件）
與3.3節(jié)相同，在高速行駛條件（表2）下進(jìn)行CAE流體分析。將潤(rùn)滑油流入和排出的滾動(dòng)部件大致分為4個(gè)方面（滾子小端面外圈-保持器之間、滾子大端面外圈-保持器之間；滾子小端面內(nèi)圈-保持器之間、滾子大端面內(nèi)圈-保持器之間），并按時(shí)間系列進(jìn)行跟蹤。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滾子大端面外圈-保持器之間潤(rùn)滑油的流入和排出占主導(dǎo)地位。另外，潤(rùn)滑油流入滾子大端面外圈-保持器之間時(shí)，攪動(dòng)阻力有增大的趨勢(shì)（圖12）。
重點(diǎn)觀察了潤(rùn)滑油流入、排出多個(gè)大端面以及各個(gè)相位的情況，發(fā)現(xiàn)有以下趨勢(shì)（圖13）。
·流入相位：135度～225度
在潤(rùn)滑油面以下的相位旋轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)從滾子大端面被帶起，然后再流向小端面。
·排出相位：0度～135度
由于軸承的泵送作用，不斷產(chǎn)生向大滾子端面的動(dòng)力，在0度左右流體開(kāi)始從小滾子端面被推回到大滾子端面。
4 設(shè)計(jì)方案①
4.1 設(shè)計(jì)方案①的理念
從3.4節(jié)的結(jié)果可以看出，當(dāng)潤(rùn)滑油從大端面流入時(shí)，攪動(dòng)阻力增加。另外，流入的相位在135度～225度時(shí)，如果能夠抑制該相位潤(rùn)滑油的流入，那么可以降低攪動(dòng)阻力，降低升溫量。因此，在設(shè)計(jì)方案①中，添加了抑制潤(rùn)滑油流入的擋板（圖14）。該擋板安裝在外圈兩端面（圖15）。
4.2 臺(tái)架升溫試驗(yàn)（高速行駛條件）
使用安裝有擋板的軸承，在高速行駛條件（表3）下進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期不同，未得到外圈升溫量降低的效果，但是測(cè)得外殼下部潤(rùn)滑油的溫度有所下降（圖16）。
軸承內(nèi)部受熱潤(rùn)滑油的排出受到了擋板或外殼突起部分的阻礙，由于沒(méi)有循環(huán)到油池，所以外圈的升溫量沒(méi)有降低到與現(xiàn)有產(chǎn)品相同的水平，可以認(rèn)為是潤(rùn)滑油的溫度降低了（圖17）。另外，由于外圈升溫量沒(méi)有變化，推測(cè)軸承內(nèi)部攪動(dòng)的潤(rùn)滑油量沒(méi)有變化。
5 設(shè)計(jì)方案②
5.1 設(shè)計(jì)方案②的理念
根據(jù)設(shè)計(jì)方案①的試驗(yàn)結(jié)果，推出設(shè)計(jì)方案②，為了減少軸承內(nèi)部攪動(dòng)的潤(rùn)滑油量，采取了以下措施。
·為了防止排出的潤(rùn)滑油返回軸承內(nèi)部，在流入相位上設(shè)置迷宮結(jié)構(gòu)。
·為了盡可能不阻礙潤(rùn)滑油排出相位，設(shè)置排出窗口。
另外，在外圈外徑面安裝擋板，在套圈旋轉(zhuǎn)側(cè)（軸端螺母）設(shè)置迷宮凸緣，用這兩部分構(gòu)建迷宮結(jié)構(gòu)（圖18）。
5.2 臺(tái)架可視化試驗(yàn)（低速行駛條件）
在進(jìn)行高速行駛條件下升溫值的比較之前，通過(guò)透明丙烯酸外殼進(jìn)行觀察以確認(rèn)抑制潤(rùn)滑油流入的效果。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，在設(shè)計(jì)方案②的軸承下部，從大端面向小端面流入的潤(rùn)滑油量減少（圖19）。
5.3 臺(tái)架升溫試驗(yàn)（高速行駛條件）
在高速行駛條件下進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)設(shè)計(jì)方案②的性能。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，外圈溫度降低了約6℃（10%）。另外，潤(rùn)滑油溫度也降低了約16℃（25%），得到了預(yù)期的抑制潤(rùn)滑油熱劣化的效果（圖20）。
解決了設(shè)計(jì)方案①中不排出潤(rùn)滑油、軸承內(nèi)部攪動(dòng)油量不變的問(wèn)題。因此，得到了外圈和潤(rùn)滑油溫度都降低的效果，實(shí)現(xiàn)了高速列車車軸用油浴潤(rùn)滑圓錐滾子軸承的低升溫化。
6 小結(jié)
為了實(shí)現(xiàn)高速列車車軸用油浴潤(rùn)滑圓錐滾子軸承高速行駛時(shí)的低升溫化，本文重點(diǎn)研究軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油的行為。具體而言，為了觀察在低速行駛條件下軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油的行為，使用丙烯酸透明外殼實(shí)現(xiàn)可視化，從而確認(rèn)CAE流體分析結(jié)果與實(shí)際潤(rùn)滑油的行為幾乎一致。因此，認(rèn)為CAE流體分析也可以應(yīng)用于高速行駛條件下，因而我們推測(cè)了高速行駛條件下潤(rùn)滑油的流動(dòng)。以此結(jié)果為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了抑制軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油攪動(dòng)阻力的迷宮凸緣和擋板。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，新開(kāi)發(fā)品的外圈升溫量降低了約6℃（10%）。今后，我們將繼 續(xù)提高應(yīng)對(duì)高速列車進(jìn)一步高速化的車軸軸承低升溫技術(shù)，為高速列車穩(wěn)定運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。
注釋：1）LFT是JTEKT的注冊(cè)商標(biāo)。
參考文獻(xiàn)（略）
（譯自《JTEKT ENGINEERING JOURNAL》）
本文刊登于中國(guó)軸協(xié)會(huì)刊《軸承工業(yè)》2022年第5期“技術(shù)前言”欄目
（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）
