高速列車車軸用油浴潤滑圓錐滾子軸承低升溫技術的開發

作者：大西真吾　加藤弘之　戶谷仁史　戶田拓矢

翻譯：洛陽LYC軸承有限公司技術中心   張藝

摘　要：高速列車車軸軸承制造商面臨著越來越高行駛速度引發軸承溫度升高的問題。特別是，油的攪動引起油浴潤滑產生大量的熱。為了解決這一問題，我們開發了附加零件，通過控制軸箱中油的流動，將升溫量減少了10%。本文介紹這種低升溫化技術。

關鍵詞：高速列車；油浴；低溫；圓錐滾子軸承；油攪動；新干線

1　引言

自1964年東海道新干線開通以來，作為日本交通基礎設施不可或缺的新干線，通過提高行駛速度，為經濟增長做出了貢獻。開通時東海道新干線的最高行駛速度是時速210公里，但到了2021年已經提高到了285公里。現在，東北新干線還在進一步高速化，目標是在延伸至札幌時實現時速360km。目前正在進行相關產品的開發（圖1）。隨著高速化，車軸軸承（圖2）的升溫量（軸承溫度減去環境溫度）也在上升，如何抑制軸承發熱成為亟待解決的問題。

高速列車車軸軸承主要有3種規格（圖3）。其中，油浴潤滑是自新干線開通以來一直使用的一種高度可靠的方式，因為這種方式無需拆卸軸承，通過油窗或磁塞就可以檢查殼體內軸承和潤滑油的狀況。但是，與潤滑脂潤滑相比，存在溫度較高的缺點。本文中對油浴潤滑圓錐滾子軸承的研究重點是抑制發熱，開發的產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。

2　開發的目標

高速列車車軸用油浴潤滑圓錐滾子軸承由多列構成，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處充滿了潤滑油。軸承停止運行時，最下部一半左右浸在潤滑油中；運行時，軸承旋轉帶起潤滑油并涂到相關部位。本研究中，我們在試驗時，通過安裝在外圈外徑面上部的熱電偶和安裝在外殼下部潤滑油中的熱電偶測量升溫情況，監視軸承狀態（圖4）。

根據以往JTEKT內部試驗的結果，比較油浴潤滑和脂潤滑可知，速度對溫升的影響明顯不同。在時速為400km時，由于溫度升高，這兩種潤滑方式會出現約30℃的差異（圖5）。

圓錐滾子軸承發熱的主要原因是滾動粘性阻力、潤滑油的攪動阻力、內圈滾子大端面的滑動阻力等，但是在油浴潤滑軸承中，潤滑油的攪動阻力是發熱的主要原因。JTEKT在汽車用差速器軸上使用的LFT（低摩擦扭矩）軸承¹）中，通過在保持器結構上下功夫來抑制潤滑油的攪動阻力，與以往產品相比，扭矩降低量最大可達50%以上（抑制攪動阻力）。參考該技術，本研究的目的是不改變外殼結構和油量，只通過改變軸承周圍的結構來減小潤滑油的攪動阻力，抑制高速行駛時的發熱量。

3　高速行駛條件下的潤滑油行為

3.1 潤滑油行為的推測（高速行駛條件）

為了減小潤滑油的攪動阻力，有必要掌握旋轉過程中殼體內部潤滑油的狀態，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題，在相當于實車的高速行駛條件下進行了臺架試驗。因為不便于觀察，因此決定利用CAE分析技術。首先在低速行駛條件（轉速：500min^-1）下，通過丙烯酸制透明外殼和使用高速攝像機的臺架試驗進行可視化。接著，同樣在低速行駛條件下進行CAE流體分析。確認潤滑油的流動可以再現后，以高速行駛條件（旋轉速度：2418min^-1；車速：相當于時速360km）進行CAE流體分析，確定了潤滑油攪動狀態（圖6）。

3.2 臺架可視化試驗結果（低速行駛條件）

使用丙烯酸制透明殼體和高速攝像機，在 涂潤滑油的正面和其相反的背面兩個方向進行觀察（表1、圖7）。通過觀察確定了以下情況：在正面，潤滑油被帶起時，從軸承底部滾子的大端面流入，并通過滾動面向小端面流動（圖8）；在背面，流向小端面的潤滑油被推回并從軸承上部的大端面排出（圖9）。

3.3 CAE流體分析結果（低速行駛條件）

在與臺架試驗相同的條件下，進行CAE流體分析。在正面，和臺架試驗一樣，潤滑油被帶起時從大端面流入，通過滾動面流向小端面（圖10）；在背面潤滑油被推回，從大端面排出（圖11）。

可以確認，潤滑油流入、排出方向和相位的臺架試驗和CAE流體分析結果近似 。根據這個結果，在低速行駛條件下，通過CAE流體分析可以再現相當于實機的潤滑油流動情況。因此，我們認為在高速行駛條件下可以通過CAE流體分析來估算潤滑油的行為。

3.4 CAE流體分析結果（高速行駛條件）

與3.3節相同，在高速行駛條件（表2）下進行CAE流體分析。將潤滑油流入和排出的滾動部件大致分為4個方面（滾子小端面外圈-保持器之間、滾子大端面外圈-保持器之間；滾子小端面內圈-保持器之間、滾子大端面內圈-保持器之間），并按時間系列進行跟蹤。結果發現，滾子大端面外圈-保持器之間潤滑油的流入和排出占主導地位。另外，潤滑油流入滾子大端面外圈-保持器之間時，攪動阻力有增大的趨勢（圖12）。

重點觀察了潤滑油流入、排出多個大端面以及各個相位的情況，發現有以下趨勢（圖13）。

·流入相位：135度～225度

在潤滑油面以下的相位旋轉時，潤滑油會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，不斷產生向大滾子端面的動力，在0度左右流體開始從小滾子端面被推回到大滾子端面。

4　設計方案①

4.1 設計方案①的理念

從3.4節的結果可以看出，當潤滑油從大端面流入時，攪動阻力增加。另外，流入的相位在135度～225度時，如果能夠抑制該相位潤滑油的流入，那么可以降低攪動阻力，降低升溫量。因此，在設計方案①中，添加了抑制潤滑油流入的擋板（圖14）。該擋板安裝在外圈兩端面（圖15）。

4.2 臺架升溫試驗（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）下進行了試驗。試驗結果與預期不同，未得到外圈升溫量降低的效果，但是測得外殼下部潤滑油的溫度有所下降（圖16）。

軸承內部受熱潤滑油的排出受到了擋板或外殼突起部分的阻礙，由于沒有循環到油池，所以外圈的升溫量沒有降低到與現有產品相同的水平，可以認為是潤滑油的溫度降低了（圖17）。另外，由于外圈升溫量沒有變化，推測軸承內部攪動的潤滑油量沒有變化。

5　設計方案②

5.1 設計方案②的理念

根據設計方案①的試驗結果，推出設計方案②，為了減少軸承內部攪動的潤滑油量，采取了以下措施。

·為了防止排出的潤滑油返回軸承內部，在流入相位上設置迷宮結構。

·為了盡可能不阻礙潤滑油排出相位，設置排出窗口。

另外，在外圈外徑面安裝擋板，在套圈旋轉側（軸端螺母）設置迷宮凸緣，用這兩部分構建迷宮結構（圖18）。

5.2 臺架可視化試驗（低速行駛條件）

在進行高速行駛條件下升溫值的比較之前，通過透明丙烯酸外殼進行觀察以確認抑制潤滑油流入的效果。與現有產品相比，在設計方案②的軸承下部，從大端面向小端面流入的潤滑油量減少（圖19）。

5.3 臺架升溫試驗（高速行駛條件）

在高速行駛條件下進行試驗，確認設計方案②的性能。與現有產品相比，外圈溫度降低了約6℃（10%）。另外，潤滑油溫度也降低了約16℃（25%），得到了預期的抑制潤滑油熱劣化的效果（圖20）。

解決了設計方案①中不排出潤滑油、軸承內部攪動油量不變的問題。因此，得到了外圈和潤滑油溫度都降低的效果，實現了高速列車車軸用油浴潤滑圓錐滾子軸承的低升溫化。

6　小結

為了實現高速列車車軸用油浴潤滑圓錐滾子軸承高速行駛時的低升溫化，本文重點研究軸承內部潤滑油的行為。具體而言，為了觀察在低速行駛條件下軸承內部潤滑油的行為，使用丙烯酸透明外殼實現可視化，從而確認CAE流體分析結果與實際潤滑油的行為幾乎一致。因此，認為CAE流體分析也可以應用于高速行駛條件下，因而我們推測了高速行駛條件下潤滑油的流動。以此結果為基礎，開發了抑制軸承內部潤滑油攪動阻力的迷宮凸緣和擋板。與現有產品相比，新開發品的外圈升溫量降低了約6℃（10%）。今后，我們將繼 續提高應對高速列車進一步高速化的車軸軸承低升溫技術，為高速列車穩定運行做出貢獻。

注釋：1）LFT是JTEKT的注冊商標。

參考文獻（略）

（譯自《JTEKT ENGINEERING JOURNAL》）

本文刊登于中國軸協會刊《軸承工業》2022年第5期“技術前言”欄目

（版權歸原作者或機構所有）