液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用

1.本发明涉及高速列车轴箱轴承，具体涉及高速列车用液体静压式轴箱轴承。


背景技术：

2.轴箱轴承是高速列车走行部转向架的核心部件，现有轴箱轴承均为滚动式轴箱轴承，主要有双列圆锥滚子轴承和双列圆柱滚子轴承两种。国产滚动式轴箱轴承由于存在材料、加工和润滑等多因素难题导致可靠性差，服役寿命短，目前只见台架试验未见实车应用。材料问题主要是轴承钢纯净度和均匀度不够，加工问题主要是轴承零件加工精度不足。这种多因素难题是国内高端滚动轴承制造的共性问题，仅靠解决单一难题很难短时间内突破，因此国内高速列车轴箱轴承目前主要依赖进口。
3.实际应用中，对于200km/h以上高速列车，轴箱轴承要求120万公里免维护，检修后使用至240万公里，在国内外现有技术共同支持下可以满足。但滚动式轴箱轴承属于滚动摩擦，滚子和内外圈滚道直接接触，持续磨损，服役寿命受限于材料表面的疲劳强度，因此随着高速列车速度进一步增加而服役寿命快速缩短，致使240万公里的服役寿命要求显得更为苛刻。目前还没有研究指出现有轴箱轴承服役寿命能否满足未来高速列车进一步提速至500km/h乃至700km/h以上的发展需要。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本发明尝试另辟蹊径，用流体摩擦代替滚动摩擦，创造性提出将液体静压轴承应用于高速列车走行部的轴箱上，进而提出了高速列车用新型液体静压式轴箱轴承，可以避免解决现有国内滚动式轴箱轴承的多因素难题，并且由于摩擦副之间无接触，使得轴箱轴承的寿命不再受限于材料表面的疲劳强度，因此具有理论极长寿命等卓越服役性能，符合高速列车未来进一步提速的发展需要。
5.本发明提供的具体技术方案是：液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，将液体静压轴承应用于高速列车的轴箱上，用以提高轴箱轴承服役寿命并减小摩擦，此时的轴箱轴承称为液体静压式轴箱轴承。
6.进一步，所述液体静压式轴箱轴承的典型结构为液体静压式双列圆锥轴箱轴承或者液体静压式双列圆柱轴箱轴承。
7.进一步，所述液体静压式轴箱轴承的进油孔处设置有节流或者恒流单元，当设置为节流单元时，为恒压型液体静压式轴箱轴承，当设置为恒流单元时，为恒流型液体静压式轴箱轴承。
8.进一步，所述液体静压式轴箱轴承也可以应用到汽车等其他需要轴箱轴承的交通运输工具上。
9.相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：
10.1.本发明所采用的液体静压式轴箱轴承相比于现有高速列车用滚动式轴箱轴承，由于采用了流体摩擦，摩擦副之间不接触，无磨损，理论服役寿命极长。
11.2.本发明所采用的液体静压式轴箱轴承相比于现有高速列车用滚动式轴箱轴承，具有长寿命、低摩擦、高精度、高刚度和大阻尼等五个优点，性能卓越。
12.3.本发明所采用的液体静压式轴箱轴承的典型结构为液体静压式双列圆锥轴箱轴承和液体静压式双列圆柱轴箱轴承，有望替换现有高速列车用滚动式双列圆锥滚子轴承和双列圆柱滚子轴承，前景优良。
13.4.本发明所采用的液体静压式轴箱轴承也可以应用到汽车等其他需要轴箱轴承的交通运输工具上，应用广泛。
附图说明
14.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
15.图1为本发明的高速列车用液体静压式轴箱轴承工作原理示意图：图1(a)为现有高速列车用滚动式轴箱轴承的工作原理示意图，图1(b)为新型高速列车用液体静压式轴箱轴承的工作原理示意图。其中，1、外圈，2、内圈、3、滚子，4、轴瓦，4-1、封油面，4-2、油腔，4-3、进油孔，4-4、回油槽，5、芯轴，6、微间隙。为便于理解，图中放大了微间隙，并用红色箭头标明了液压油流动方向。
16.图2为本发明的高速列车用液体静压式双列圆锥轴箱轴承实施例：图2(a)为现有高速列车用滚动式双列圆锥滚子轴承，图2(b)为新型高速列车用液体静压式双列圆锥轴箱轴承。其中，1、外圈，2、内圈、3、滚子，4、轴瓦，4-1、封油面，4-2、油腔，4-3、进油孔，4-4、回油槽，5、芯轴，6、微间隙。为便于理解，图中放大了微间隙。
17.图3为本发明的高速列车用液体静压式双列圆柱轴箱轴承实施例：图3(a)为现有高速列车用滚动式双列圆柱滚子轴承，图3(b)为新型高速列车用液体静压式双列圆柱轴箱轴承。其中，1、外圈，2、内圈、3、滚子，4、轴瓦，4-1、径向封油面，4-2、径向油腔，4-3、径向进油孔，4-4、回油槽，4-5、轴向封油面、4-6、轴向油腔，4-7、轴向进油孔，5、芯轴，6、径向和轴向微间隙。为便于理解，图中放大了微间隙。
具体实施方式
18.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不是限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
19.实施例1
20.本实施例描述了高速列车用新型液体静压式轴箱轴承的工作原理。既然现有高速列车用轴箱轴承均为滚动式轴箱轴承，属于滚动摩擦，服役寿命受限于材料表面的疲劳强度，那是否有一种新的轴箱轴承的服役寿命不再受限于材料表面的疲劳强度。现有技术中，摩擦可以分为静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦和流体摩擦四大类，其中流体摩擦的摩擦力最小。如果将基本无磨损的流体摩擦代替持续有磨损的滚动摩擦，运动副之间将接近无磨损，理论上具有极长寿命。因此本发明创造性提出将液态静压轴承应用于高速列车走行部转向架的轴箱上，用以提高轴箱轴承服役寿命并减小摩擦，此时的轴箱轴承称为液体静压式轴箱轴承。
21.现有高速列车用滚动式轴箱轴承的工作原理如图1(a)所示，在滚动摩擦中，外圈1
和内圈2的滚道和滚子3直接接触，三者持续有磨损，并受限于材料表面的疲劳强度，服役寿命有限长。新型高速列车用液体静压式轴箱轴承的工作原理如图1(b)所示，将滚动轴承的外圈1和内圈2分别用液体静压轴承的轴瓦4和芯轴5代替，并去掉滚子3。此时在轴瓦4和芯轴5之间形成了高压油膜的微间隙6。通过在轴瓦4的圆周方向设置多个高压油垫承载，单个高压油垫由封油面4-1、油腔4-2、进油孔4-3和回油槽4-4组成。油腔4-2位于封油面4-1的内部并和进油孔4-3相通，回油槽4-4位于封油面4-1的外部。工作时，高压油从进油孔4-3进入微间隙6中，强行隔开了轴瓦4和芯轴5之间的直接接触，形成了稳定润滑膜，构成了流体摩擦。由于轴瓦4和芯轴5之间存在稳定润滑膜，两者无接触，故使用过程中基本无磨损，对材料的表面疲劳强度要求也很低。因此理论上液体静压式轴箱轴承将具有极长服役寿命，此服役性能已经大幅超过现有只有有限寿命的滚动式轴箱轴承。当进油孔处设置为节流单元时，为恒压型液体静压式轴箱轴承，当进油孔处设置为恒流单元时，为恒流型液体静压式轴箱轴承。
22.实际上，液体静压式轴箱轴承将具有七方面优势：
①
相比于滚动式轴箱轴承，液体静压式轴箱轴承，由于属于流体摩擦，摩擦副之间无接触，理论上具有极长服役寿命。
②
流体摩擦的摩擦力通常较大幅度小于滚动摩擦的摩擦力，这将使得液体静压式轴箱轴承具有低功耗。
③
液体静压轴承的误差均化能力通常大幅高于滚动轴承，这将使得液体静压式轴箱轴承相比于滚动式轴箱轴承具有高精度的优点。
④
液体静压式轴箱轴承由于是整个高压油膜面承载，并且可以通过提高外界进油压力对应提高刚度和承载，因此其刚度和承载可以较大幅度高于只有线或者点接触的滚动式轴箱轴承。
⑤
液体静压式轴箱轴承由于油膜挤压阻尼的存在，其阻尼大幅高于滚动式轴箱轴承。
⑥
液体静压式轴箱轴承由于没有直接接触，对材料表面的疲劳性能要求很低，避免了解决滚动摩擦中材料的疲劳强度问题。
⑦
由于液体静压式轴箱轴承自带润滑油，不必考虑润滑问题。
23.综上，液体静压式轴箱轴承将具有长寿命、低摩擦、高精度、高刚度和大阻尼等五个服役性能优点，对材料表面的疲劳强度要求很低，且自带润滑，可以大幅度提高现有滚动式轴箱轴承的服役性能。
24.实施例2
25.本实施例描述了液体静压式双列圆锥轴箱轴承的结构。如图2所示，改现有高速列车用双列圆锥滚子轴承为新型液体静压式双列圆锥轴箱轴承。相应将滚动轴承的外圈1和内圈2分别用液体静压式轴箱轴承的轴瓦4和芯轴5代替，并去掉滚子3。此时在轴瓦4和芯轴5之间形成了高压油膜所在的微间隙6。通过在轴瓦4的圆周方向设置多个高压油垫承受径向载荷，单个高压油垫由封油面4-1、油腔4-2、进油孔4-3和回油槽4-4组成。油腔4-2位于封油面4-1的内部并和进油孔4-3相通，回油槽4-4位于封油面4-1的外部。由于在左右两侧设置了两列高压油垫，并且两列高压油垫之间呈现一定角度，进而使得轴承也可以同时承受倾覆和轴向载荷，满足实际高速列车使用时承载要求。当进油孔处设置为节流单元时，为恒压型液体静压式双列圆锥轴箱轴承，当进油孔处设置为恒流单元时，为恒流型液体静压式双列圆锥轴箱轴承。工作时，高压油从进油孔4-3进入微间隙6中，强行隔开了轴瓦4和芯轴5之间的直接接触，形成了稳定润滑膜，构成了流体摩擦。由于轴瓦4和芯轴5之间存在稳定润滑膜，两者无接触，故使用过程中基本无磨损，理论服役寿命极长，对材料的表面疲劳强度要求也很低。
26.具体工作原理和优点同实施例1。
27.实施例3
28.本实施例描述了液体静压式双列圆柱轴箱轴承的结构。如图3所示，改现有高速列车用双列圆柱滚子轴承为新型液体静压式双列圆柱轴箱轴承。将滚动轴承的外圈1和内圈2分别用液体静压式轴箱轴承的轴瓦4和芯轴5代替，并去掉滚子3。此时在轴瓦4内孔和芯轴5外圆之间形成了径向微间隙6，在轴瓦4左右端面和芯轴5左右止推面之间形成了轴向微间隙6。通过在轴瓦4的圆周方向设置多个径向高压油垫承受径向载荷，单个径向高压油垫由径向封油面4-1、径向油腔4-2、径向进油孔4-3和回油槽4-4组成。径向油腔4-2位于径向封油面4-1的内部并和径向进油孔4-3相通，回油槽4-4位于径向封油面4-1的外部。由于在左右两侧设置了两列径向高压油垫，进而使得轴承也可以同时承受倾覆载荷。通过在轴瓦4的两侧设置轴向高压油垫承受轴向载荷，轴向高压油垫由轴向封油面4-5、轴向油腔4-6和轴向进油孔4-7组成。轴向油腔4-6位于轴向封油面4-5的内部并和轴向进油孔4-7相通。当进油孔处设置为节流单元时，为恒压型液体静压式双列圆柱轴箱轴承，当进油孔处设置为恒流单元时，为恒流型液体静压式双列圆柱轴箱轴承。工作时，高压油从径向进油孔4-3和轴向进油孔4-6进入径向和轴向微间隙6中，强行隔开了轴瓦4和芯轴5之间的直接接触，形成了稳定润滑膜，构成了流体摩擦。由于轴瓦4和芯轴5之间存在稳定润滑膜，两者无接触，故使用过程中基本无磨损，理论服役寿命极长，对材料的表面疲劳强度要求也很低。
29.具体工作原理和优点同实施例1。
30.综上，本发明揭示了液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，提出了高速列车用新型液体静压式轴箱轴承，并对标现有高速列车用双列圆锥滚子轴承和双列圆柱滚子轴承给出了两种典型结构实施例，即液体静压式双列圆锥轴箱轴承和液体静压式双列圆柱轴箱轴承。本发明的高速列车用液体静压式轴箱轴承，由于属于流体摩擦，无磨损，理论服役寿命极长，且不受限于材料表面的疲劳强度，相比于现有滚动式轴箱轴承，具有长寿命、低摩擦、高精度、高刚度和大阻尼等五个优点，可以大幅提高现有滚动式轴箱轴承的服役性能，符合高速列车未来发展对轴箱轴承的进一步要求。
31.上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，其特征在于，将液体静压轴承应用于高速列车的轴箱上，用以提高轴箱轴承服役寿命并减小摩擦，此时的轴箱轴承称为液体静压式轴箱轴承。2.根据权利要求1所述液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，其特征在于，所述液体静压式轴箱轴承典型结构为液体静压式双列圆锥轴箱轴承或者液体静压式双列圆柱轴箱轴承。3.根据权利要求1所述液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，其特征在于，所述液体静压式轴箱轴承的进油孔处设置有节流或者恒流单元，当设置为节流单元时，为恒压型液体静压式轴箱轴承，当设置为恒流单元时，为恒流型液体静压式轴箱轴承。4.根据权利要求1所述液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，其特征在于，所述液体静压式轴箱轴承也可以应用到汽车等其他需要轴箱轴承的交通运输工具上。

技术总结
本发明公开了液体静压轴承在高速列车轴箱上的应用，提出了高速列车用新型液体静压式轴箱轴承。特征是：将液体静压轴承应用于高速列车轴箱上，用以提高轴箱轴承服役寿命并减小摩擦，此时的轴箱轴承称为液体静压式轴箱轴承，典型结构为液体静压式双列圆锥或圆柱轴箱轴承，当进油孔处设置为节流单元时，为恒压型液体静压式轴箱轴承，当进油孔处设置为恒流单元时，为恒流型液体静压式轴箱轴承。本发明的高速列车用液体静压式轴箱轴承，由于属于流体摩擦，无磨损，理论服役寿命极长，相比于现有滚动式轴箱轴承，具有长寿命、低摩擦、高精度、高刚度和大阻尼等五个优点，可以大幅提高轴箱轴承的服役性能，符合高速列车未来发展对轴箱轴承的进一步要求。承的进一步要求。承的进一步要求。


技术研发人员：张朋海
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/8/1