作者：大西真吾　加藤弘之　户谷仁史　户田拓矢

翻译：洛阳LYC轴承有限公司技术中心   张艺

摘　要：高速列车车轴轴承制造商面临着越来越高行驶速度引发轴承温度升高的问题。特别是，油的搅动引起油浴润滑产生大量的热。为了解决这一问题，我们开发了附加零件，通过控制轴箱中油的流动，将升温量减少了10%。本文介绍这种低升温化技术。

关键词：高速列车；油浴；低温；圆锥滚子轴承；油搅动；新干线

1　引言

自1964年东海道新干线开通以来，作为日本交通基础设施不可或缺的新干线，通过提高行驶速度，为经济增长做出了贡献。开通时东海道新干线的最高行驶速度是时速210公里，但到了2021年已经提高到了285公里。现在，东北新干线还在进一步高速化，目标是在延伸至札幌时实现时速360km。目前正在进行相关产品的开发（图1）。随着高速化，车轴轴承（图2）的升温量（轴承温度减去环境温度）也在上升，如何抑制轴承发热成为亟待解决的问题。

高速列车车轴轴承主要有3种规格（图3）。其中，油浴润滑是自新干线开通以来一直使用的一种高度可靠的方式，因为这种方式无需拆卸轴承，通过油窗或磁塞就可以检查壳体内轴承和润滑油的状况。但是，与润滑脂润滑相比，存在温度较高的缺点。本文中对油浴润滑圆锥滚子轴承的研究重点是抑制发热，开发的产品成功地将外圈升温量降低了6℃（10%）。本文介绍这种低升温化技术。

2　开发的目标

高速列车车轴用油浴润滑圆锥滚子轴承由多列构成，周围覆盖外壳。外壳上有名为“油池”的凹槽。该凹槽中，从车轴中心向下80mm处充满了润滑油。轴承停止运行时，最下部一半左右浸在润滑油中；运行时，轴承旋转带起润滑油并涂到相关部位。本研究中，我们在试验时，通过安装在外圈外径面上部的热电偶和安装在外壳下部润滑油中的热电偶测量升温情况，监视轴承状态（图4）。

根据以往JTEKT内部试验的结果，比较油浴润滑和脂润滑可知，速度对温升的影响明显不同。在时速为400km时，由于温度升高，这两种润滑方式会出现约30℃的差异（图5）。

圆锥滚子轴承发热的主要原因是滚动粘性阻力、润滑油的搅动阻力、内圈滚子大端面的滑动阻力等，但是在油浴润滑轴承中，润滑油的搅动阻力是发热的主要原因。JTEKT在汽车用差速器轴上使用的LFT（低摩擦扭矩）轴承¹）中，通过在保持器结构上下功夫来抑制润滑油的搅动阻力，与以往产品相比，扭矩降低量最大可达50%以上（抑制搅动阻力）。参考该技术，本研究的目的是不改变外壳结构和油量，只通过改变轴承周围的结构来减小润滑油的搅动阻力，抑制高速行驶时的发热量。

3　高速行驶条件下的润滑油行为

3.1 润滑油行为的推测（高速行驶条件）

为了减小润滑油的搅动阻力，有必要掌握旋转过程中壳体内部润滑油的状态，并使用丙烯酸制透明壳体以便于观察。但是，由于丙烯酸制透明壳体的耐久性问题，在相当于实车的高速行驶条件下进行了台架试验。因为不便于观察，因此决定利用CAE分析技术。首先在低速行驶条件（转速：500min^-1）下，通过丙烯酸制透明外壳和使用高速摄像机的台架试验进行可视化。接着，同样在低速行驶条件下进行CAE流体分析。确认润滑油的流动可以再现后，以高速行驶条件（旋转速度：2418min^-1；车速：相当于时速360km）进行CAE流体分析，确定了润滑油搅动状态（图6）。

3.2 台架可视化试验结果（低速行驶条件）

使用丙烯酸制透明壳体和高速摄像机，在 涂润滑油的正面和其相反的背面两个方向进行观察（表1、图7）。通过观察确定了以下情况：在正面，润滑油被带起时，从轴承底部滚子的大端面流入，并通过滚动面向小端面流动（图8）；在背面，流向小端面的润滑油被推回并从轴承上部的大端面排出（图9）。

3.3 CAE流体分析结果（低速行驶条件）

在与台架试验相同的条件下，进行CAE流体分析。在正面，和台架试验一样，润滑油被带起时从大端面流入，通过滚动面流向小端面（图10）；在背面润滑油被推回，从大端面排出（图11）。

可以确认，润滑油流入、排出方向和相位的台架试验和CAE流体分析结果近似 。根据这个结果，在低速行驶条件下，通过CAE流体分析可以再现相当于实机的润滑油流动情况。因此，我们认为在高速行驶条件下可以通过CAE流体分析来估算润滑油的行为。

3.4 CAE流体分析结果（高速行驶条件）

与3.3节相同，在高速行驶条件（表2）下进行CAE流体分析。将润滑油流入和排出的滚动部件大致分为4个方面（滚子小端面外圈-保持器之间、滚子大端面外圈-保持器之间；滚子小端面内圈-保持器之间、滚子大端面内圈-保持器之间），并按时间系列进行跟踪。结果发现，滚子大端面外圈-保持器之间润滑油的流入和排出占主导地位。另外，润滑油流入滚子大端面外圈-保持器之间时，搅动阻力有增大的趋势（图12）。

重点观察了润滑油流入、排出多个大端面以及各个相位的情况，发现有以下趋势（图13）。

·流入相位：135度～225度

在润滑油面以下的相位旋转时，润滑油会从滚子大端面被带起，然后再流向小端面。

·排出相位：0度～135度

由于轴承的泵送作用，不断产生向大滚子端面的动力，在0度左右流体开始从小滚子端面被推回到大滚子端面。

4　设计方案①

4.1 设计方案①的理念

从3.4节的结果可以看出，当润滑油从大端面流入时，搅动阻力增加。另外，流入的相位在135度～225度时，如果能够抑制该相位润滑油的流入，那么可以降低搅动阻力，降低升温量。因此，在设计方案①中，添加了抑制润滑油流入的挡板（图14）。该挡板安装在外圈两端面（图15）。

4.2 台架升温试验（高速行驶条件）

使用安装有挡板的轴承，在高速行驶条件（表3）下进行了试验。试验结果与预期不同，未得到外圈升温量降低的效果，但是测得外壳下部润滑油的温度有所下降（图16）。

轴承内部受热润滑油的排出受到了挡板或外壳突起部分的阻碍，由于没有循环到油池，所以外圈的升温量没有降低到与现有产品相同的水平，可以认为是润滑油的温度降低了（图17）。另外，由于外圈升温量没有变化，推测轴承内部搅动的润滑油量没有变化。

5　设计方案②

5.1 设计方案②的理念

根据设计方案①的试验结果，推出设计方案②，为了减少轴承内部搅动的润滑油量，采取了以下措施。

·为了防止排出的润滑油返回轴承内部，在流入相位上设置迷宫结构。

·为了尽可能不阻碍润滑油排出相位，设置排出窗口。

另外，在外圈外径面安装挡板，在套圈旋转侧（轴端螺母）设置迷宫凸缘，用这两部分构建迷宫结构（图18）。

5.2 台架可视化试验（低速行驶条件）

在进行高速行驶条件下升温值的比较之前，通过透明丙烯酸外壳进行观察以确认抑制润滑油流入的效果。与现有产品相比，在设计方案②的轴承下部，从大端面向小端面流入的润滑油量减少（图19）。

5.3 台架升温试验（高速行驶条件）

在高速行驶条件下进行试验，确认设计方案②的性能。与现有产品相比，外圈温度降低了约6℃（10%）。另外，润滑油温度也降低了约16℃（25%），得到了预期的抑制润滑油热劣化的效果（图20）。

解决了设计方案①中不排出润滑油、轴承内部搅动油量不变的问题。因此，得到了外圈和润滑油温度都降低的效果，实现了高速列车车轴用油浴润滑圆锥滚子轴承的低升温化。

6　小结

为了实现高速列车车轴用油浴润滑圆锥滚子轴承高速行驶时的低升温化，本文重点研究轴承内部润滑油的行为。具体而言，为了观察在低速行驶条件下轴承内部润滑油的行为，使用丙烯酸透明外壳实现可视化，从而确认CAE流体分析结果与实际润滑油的行为几乎一致。因此，认为CAE流体分析也可以应用于高速行驶条件下，因而我们推测了高速行驶条件下润滑油的流动。以此结果为基础，开发了抑制轴承内部润滑油搅动阻力的迷宫凸缘和挡板。与现有产品相比，新开发品的外圈升温量降低了约6℃（10%）。今后，我们将继 续提高应对高速列车进一步高速化的车轴轴承低升温技术，为高速列车稳定运行做出贡献。

注释：1）LFT是JTEKT的注册商标。

参考文献（略）

（译自《JTEKT ENGINEERING JOURNAL》）

本文刊登于中国轴协会刊《轴承工业》2022年第5期“技术前言”栏目

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