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1、1 前言1.1淬火压床设计引言1.1.1铁路货车轴承现状滚动轴承作为铁路货车的关键部件，直接关系到车辆运行的安全，始终是中国铁路部门关注的重点。但过去多年来，轴承质量由于受到密封装置、轴承润滑脂、保持架质量的影响，不能满足铁路运输发展对货车的需求，每年均会发生几起滚动轴承热轴、切轴事故。近几年来，随着我国国民经济快速发展以及中国铁路跨越式的发展，中国铁路的滚动轴承事业也步入了快车道，在铁路有关部门组织和各研究所的积极配合下，解决了一系列制约着滚动轴承发展的瓶颈问题，可以说，中国铁路货车滚动轴承事业走过了一条极其不平凡的道路，并正在生机勃勃的快速向前发展。纵观我国铁路货车滚动轴承的发展历程，也就
2、只是轴承结构的变化、保持架材质的变化、轴承密封装置的改进以及轴承润滑脂的优化和检修技术标准的不断完善和发展的历程。滚动轴承在中国铁路货车的应用比较晚，载货车滑动轴承转化的初期，滚动轴承主要采用进口。1978年，滚动轴承开始在新造、厂修货车上小批量装车运用、试验，当时滚动轴承的型号主要有97720、197720、97726、197726和97730等；从1980年开始在新造货车上大量装车使用，当年新造货车滚动轴承数量已达到4000辆。用滚动轴承代替滑动轴承是铁道部制定的一项重大技术政策，它可以减少列车的启动阻力和运行阻力，增加列车牵引吨位，减少事故，保证行车安全，提高运行数度，加快车辆周转，节省
3、材料，降低运营成本，延长货车的检修周期。铁路货车在装用滚动轴承后，其技术经济效果是相当明显的。减小列车启动和运行阻力，增大列车的牵引重量。列车的运行阻力是由轮轨间、轴承的摩擦阻力以及风力等组成。减小各项相对阻力，可明显增大牵引重量，节约能源，提高运输效率。铁路货车由装用滑动轴承改用滚动轴承是取得明显效果的重要途径。一般情况下，滚动摩擦系数比滑动摩擦系数低得多，相差一个数量级。因此，滚动轴承列车的启动和牵引阻力都将比滑动轴承列车大大减小。滑动列车启动阻力大，列车在低速运行时的阻力也就大，特别是在冬季更为显著。列车启动困难，牵引重量受到限制。随着列车运行速度的不断提高，轴承摩擦阻力占列车总运行阻力
4、的比例减小。节约能源和减少材料的消耗，滚动轴承化所节约的能源和材料也是相当可观的。由于滚动轴承列车的启动阻力和运行阻力都比较小，减小了机车的功率消耗，提高了机车的动力利用效率，因而能节约大量的能源。另一方面，由于装用滚动轴承，还可以节约大量的润滑油和有色金属，大大减少材料消耗。货车装用滚动轴承后大大减少了润滑油的消耗量。此外，由于滚动轴承装用润滑脂，很少漏油，也可消除因漏油玷污钢轨而降低机车的牵引力。装用滚动轴承后可以大量减少燃油事故，极大的提高运营的安全性和经济性。滚动轴承比滑动轴承具有优良的技术性能。装用滚动轴承的车辆，燃轴事故率大大减少。根据每年进行的统计调查显示，装用滚动轴承的火车运营
5、过程中因轴承技术故障而引发的事故大大减少。目前我国高铁轴承仍然全部依靠进口,未来三年我国高铁轴承市场将超过20亿元.在总需求中,晋西车轴,轻轨等城市轨道交通车辆对轴承的急需,确定由轴研科技作为项目牵头负责单位,但涨幅最大的均为所谓的高铁概念,目前我国时速160公里以上客车用轴承全部靠进口,在轴承行业开展高速铁路轴承的研发工作. 由于我国轴承产业发展跟不上,可靠性低,目前时速在300公里以上高铁所用车轴全部进口,但不清楚结果怎么样.我国生产的轴承产品在性能与价格比,中国轴承产业协会开展高速铁路轴承会商,如中国南车,可能几年也无法大量生产出给高铁配套的轴承.反映在市场上,轴承的结构优化设计和仿真分
6、析等工作。根据铁道部相关人员表述，到2012年我国将建成1.3万公里客运专线，时速350公里的线路将达到8000公里，时速250公里的线路将达到5000公里。时速 350公里的高速动车组将成为未来铁路客运专线的主力。对中国北车和中国南车而言，只有提升动车组生产能力才能够满足中国高速动车组的强劲需求。 高速动车组不仅在国方兴未艾，而且国外相关国家均表现出了对中国高速 动车组的浓厚兴趣，未来中国高速动车组有望输出产品和技术。 动车组和大功率机车的核心技术已为我所有。高速动车组的总成、车体、转向架、牵引变流、牵引控制、牵引变压、牵引电机、列车网络控制和制动系统等核心技术，大功率电力机车的总成、车体、
7、转向架、主变压器、网络控制、主变流器、驱动装置、牵引电机、制动系统等核心技术，大功率燃机车的柴油机、主辅发电机、交流传动控制等核心技术，以及大量的配套技术，我们已经掌握。运用这些技术生产的时速200公里及以上动车组和大功率机车的国产化率可达到70%以上。 然而，虽然国已经能够生产出具有自主知识产权的高速铁路动车组整车，但在高速铁路轴承的国产化应用方面仍处于空白。目前国动车组轴承全部使用进口轴承。因此大力发展高速铁路轴承的国产化已是势在必行。可想而知，前景也非常的广阔。目前，铁路货车用滚动轴承替代滑动轴承已经成为必然趋势。在我国目前运用的铁路货车上，装用的滚动轴承有几种形式，但主要的型式是197
8、726型无轴箱双列圆锥滚子轴承。铁路轴承所用的的材料为渗碳轴承钢（G20CrNiMoA），其渗碳厚度为1.5mm2.3mm，工作表面的淬火回火硬度为HRC6064，心部硬度为HRC3545。由于轴承钢在淬火时会畸变大，变形十分严重，进而造成大量废品。所以，轴承行业普遍采用淬火模具来强行阻止其变形。目前，国外普遍采用淬火压床来完成铁路轴承的淬火工艺。国同行在淬火压床模具设计方面也做了大量工作，并取得了一定成效。在此基础上，通过计算，设计了一种外动静式的模具，即把模具分成为两个模芯，模具芯是一个整体，外芯为6块活动块，并与芯通过锥面配合。该设计既可进退自如，通过锥面配合也便于脱模，又使模具与轴承材
9、料保持良好接触，从而既完成淬火工艺，保证了轴承的精度，又能提高模具的使用寿命。1.1.2铁路货车滚动轴承外圈简介 铁路货车轴承的外圈是一个带有两个圆锥滚道的套筒，由于轴向力一般只是轴载荷的30%，所以滚道母线与轴承中心线的夹角（即轴承接触角）不大，一般的都在1013围以。当接触角过小时，在轴向力的作用下，容易产生楔套作用，进而导致外圈和圈组件卡死。反之，接触角过大，会使轴承受力恶化，进而降低轴承使用寿命。197726轴承的接触角为10，外圈的两端设有牙口，用来安装密封罩。为了防止密封罩松动而引起的油脂泄露，应使牙口的配合宽度尽量加大，一般牙口的宽度为1215mm，197726轴承为13mm，同
10、时加工精度要高。由于外圈代替了轴箱，因此应尽量提高外圈的刚性，减小使用中和压装密封罩时的变形，外圈的壁厚应尽可能大一点为好。5为了降低外圈端面与承载鞍推力挡肩间接触面单位面积压力，并减少挡肩的磨损，应使外圈端面面积尽可能的加大。17外圈材料采用渗碳轴承钢（197726轴承外圈材质为20CrNi2MoA），经过渗碳淬火热处理之后，获得表层硬心部分的良好结构，以适应铁路货车滚动轴承恶劣使用条件的要求。材料名称： (渗碳)轴承钢牌号： G20CrNiMoA标准： GB/T 3203-1982特性及适用围：渗碳轴承钢是一种常用的优质合金渗碳钢，渗碳处理后材料表面有相当高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，同
11、时其心部还保留良好的韧性，能承受高的冲击负荷，主要用于汽车轴承等耐冲击、耐磨损零件的材料。13化学成份：碳 C ： 0.170.23(允许偏差:0.02)硅 Si： 0.150.40(允许偏差:0.03)锰 Mn： 0.600.90(允许偏差:0.04)硫 S ： 0.020(允许偏差:+0.005)磷 P ： 0.020(允许偏差:+0.005)铬 Cr： 0.350.65(允许偏差:0.15)镍 Ni： 0.400.70(允许偏差:0.05)铜 Cu： 允许残余含量0.25(允许偏差：0.05)钼 Mo： 0.150.30(允许偏差:0.02)力学性能：抗拉强度 b (MPa)： 1176
12、(120)伸长率 5 ()： 9断面收缩率 ()： 45冲击韧性值 kv (J/cm2)： 78(8)试样尺寸： 试样尺寸为15mm热处理规：淬火,第一次温度为88020,第二次温度为79020,油冷;回火,温度为150200,空冷。金相组织：马氏体。61.2淬火压床技术现状机床产业为机械制造业提供了制造装备，从经济的角度来说，机床产业对发展国民经济，增强综合国力和发展高新技术起到重要的作用。16我国机床产业的总体设计制造水平与工业发达的国家相比，还有较大的差距，其主要表现为现在的设计方法落后，设计资料老化，以及设计标准不能和国际上的发达国家接轨。在我国加入WTO之后，为了使我国的机械生产行业
13、得以高速发展并且和国际发达国家在经济和国力上接轨，我国对机械行业的制造装备（机床产品）给予了高度关注，加快促进我国机床设计制造水平的提高，增强机床产品的国际竞争力，力求在机床设计方面做到：为机床设计人员提供正确的设计思想，开发科学的方法，提高资料的标准。1.3淬火压床性能简介本淬火压床为半自动淬火压床，除了工件装卸外，其它操作都是自动的。机床的传动全部采用电气、液压控制，实现自动工作循环。这样有助于被淬火零件的精度控制和质量的稳定，又可减轻工人的劳动强度。本机床上下模均采用液压传动，可在上料位置与工作位置间移动。先把一批淬火零件加热至淬火温度，然后逐个放入本压床，在压床冷却，进而完成淬火工序。
14、液压运动控制装置：该装置与电气配合以保证机床自动循环的完成。控制站板：通过该控制站板，集中操纵机床的的全部动作。冷却油量控制装置：通过三个不同通径电磁阀的相互结合来实现冷却油量的控制。22铁路货车轴承外圈淬火压床总体设计2.1设计要求首先，要满足用户的各种需求，确定机床的加工围、工件淬火精度和生产的经济性等因素。其次，应合理的安排工件的传动位置，尽量用较短的传动链，以简化机床的结构，并提高传动精度和传动效率。最后，通用机床必须满足各种参数标准和关于机床布局的规定，要求机床结构简单。2.2淬火压床总体结构布局本淬火压床主体结构主要由机床床身、控制箱、淬火模具、工作台、开合油池、液压操纵板、冷却油
15、集配箱等结构构成。淬火压床床身采用板焊结构，是全机床的承载框架。封闭油罩冷却油液采用自下而上的浸没循环流动冷却方式，垂直于工件入油，且在整个冷却过程中冷却油定向流 动，冷却效果好，被淬件硬度均匀，变形小。模具采用液压脱料，脱模可靠，装卸件容易且便于工人操作。工件外周同时浸油冷却，模具材料采用GCr15钢淬硬，耐磨寿命长，工件形状保持性好， 淬火件的尺寸稳定。 机床的液压系统主要由动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。液压油箱在液压系统中的主要作用是储油、散热、分离油中所含空气及消除泡沫。选用油箱时首先要考虑其容量，一般的移动式设备取泵最大流量的23倍，固定式设备取34倍；其次考虑油箱的油位，当系统全部液压油缸伸出后油箱油面不得低于最低油位，当油缸回缩以后油面不得高于最高油位；最后考虑油箱结构，传统油箱的隔板并不能起到沉淀脏物的作用，应沿油箱纵轴线安装一个垂直隔板，此隔板一端和油箱端板之间留有空位使隔板两边空间连通，液压泵的进出油口布置在不连通的一端隔板两侧，使进油和回油之间的距离保持最远，从而使液压油箱多起到一些散热的作用。4 3铁路货车轴承外圈淬火压床工艺分析3.1淬火压床淬火过程简介铁路货车轴承外圈淬火压床主要由加压、淬火、退料等部分组成。3.1.1加压部分该机床是一种封闭油浸没式的流动油液冷却、自动脱料式固定模具压
