[科普中国]-线性轴承

简介

线性轴承是一种用于直线运动的滚动或滑动轴承，具有摩擦力小、结构可靠、承载能力强、长距离运行精度高、使用寿命长等特点，常应用于各种机床、冲床、打印机等工业机械设备。中低速磁浮车辆的悬浮架是由多个基本结构相同的模块装配组成。磁浮列车通过曲线时，悬浮架模块会根据线路线形拟合成曲线，导致不同位置的模块相对于车体将产生不同的横向位移量，其中端部模块横向位移超过300mm。考虑到常应用于机车车辆上的空气弹簧不足以提供如此大的位移量， 因此在车体与悬浮架之间设置具有大位移技术特点的线性轴承， 以适应中低速磁浮车辆过曲线要求1。

中低速磁浮车辆曲线通过分析中低速磁浮车辆悬浮架在平直道姿态：每节车辆悬浮架共有5个模块装配，12套滑台装置，左右模块各6套，其中第Ⅱ、Ⅴ位滑台为固定滑台与车体相连，第Ⅰ、Ⅵ位滑台为端部滑台，第Ⅲ、Ⅳ位滑台为中间滑台。在端部滑台和中间滑台上安装有线性轴承装置，线性轴承导轨固定于车体底板，滑块固定于滑台安装面上。

列车通过曲线时，悬浮架姿态：理想状态下各模块处于曲线的径向位置，拟合成相应曲线。由于Ⅱ、Ⅴ位滑台与车体固定，其位置决定了车体在曲线上的位置。根据曲线拟合分析，端部滑台相对于车体的的横向位移量最大，中间滑台相对于车体的横向位移约为端部滑台位移量的一半。由于外轨与内轨的曲线半径略有差别，且悬浮架左右模块可以相互解耦， 导致同一位滑台相对于内外轨的横向位移也略有不同。

中低速磁浮列车的正线允许最小平面曲线半径可达100m，库线最小曲线半径可达50m。当列车位于半径为50m的曲线上时，根据曲线拟合分析初步计算可得各滑台的横向位移量：位于内侧轨道的端部滑台产生的横向位移最大，其最大值为326mm。普通轮轨车辆转向架的空气弹簧最大横向位移一般也只有120mm左右，而且应用于中低速磁浮车辆的空气弹簧受限于悬浮架空间结构等因素，空气弹簧体积较小，其横向位移值约为20mm，空气弹簧无法实现如此大的横向位移， 因此在车体与滑台之间设置大位移线性轴承，满足悬浮架相对于车体横向运动的位移需求，是一种较合理的选择2。

线性轴承设计选型中低速磁浮车辆二系悬挂装置采用空气弹簧结构，线性轴承是空气弹簧悬挂装置的关键部件之一，其设计选型须满足悬浮架和车体连接、传递载荷以及适应车辆曲线通过等性能要求。

空气弹簧悬挂装置由空气弹簧、端部滑台、中间滑台、固定滑台、线性轴承等部件组成。线性轴承水平安装在端部滑台与中间滑台上，采用双导轨滑行机构。

1.线性轴承选型

线性轴承是悬浮架上工作负荷较大、安全性要求较高的部件之一， 其性能直接决定了列车能否安全运行并顺畅通过曲线。其选型工作主要需考虑车辆负荷、线性轴承安全系数、结构尺寸、可维护性等几个方面。

（1）线性轴承负荷与安全系数计算

应用于中低速磁浮车辆的线性轴承滑块主要承受垂向负荷及侧向负荷，各滑块的垂向负荷大小与空气弹簧对滑台的支撑力大小及作用中心有关，侧向负荷与列车牵引或制动时加速度引起的惯性力有关。

（2）端部滑台线性轴承负荷计算

端部滑台的一根导轨采用单滑块支撑、另一根导轨采用双滑块支撑。根据空气弹簧悬挂装置设计可知，列车所有空气弹簧压力均等，即各空气弹簧对滑台的支撑力F 大小相等。端部滑台没有设置牵引拉杆，因此其上线性轴承侧向不受车辆纵向力作用。

（3）中间滑台线性轴承负荷计算

中间滑台为左右对称结构，两根导轨均采用双滑块支撑，因此线性轴承滑块受到的垂向力两两相等。空簧对滑台的支撑力均与端部滑台相同。列车牵引或制动时，牵引拉杆对各滑台的纵向作用力相等，同一滑台上每个线性轴承滑块受到的侧向力也近似认为大小相等。

取前后均有牵引拉杆作用的中间滑台作为计算对象，在列车牵引或制动时，该滑台上的线性轴承滑块所受的侧向力最大。

（2）额定寿命计算

尽管国内暂时没有正式运营的中低速磁浮线路，根据轨道交通应用经验估计磁浮运营线每公里的曲线数平均为一个。设磁浮车辆进出曲线时，均按通过正线最小曲线R100 m 所对应的线性轴承滑动量150 mm计算，磁浮车辆每通过曲线一次，线性轴承滑动量共计为300 mm。按磁浮车辆年运行公里数为12.5×104 km计算，线性轴承的年滑动量为37.5 km。因此，可以计算端部滑台上的单滑块线性轴承的额定计算寿命最小达1392年，双滑块线性轴承的额定计算寿命最小为23.2年；中间滑台上的双滑块线性轴承额定计算寿命最小为12.4年。

（3）结构尺寸

线性轴承结构尺寸设计主要考虑直线导轨长度尺寸。在通过曲线时，滑块相对直线导轨左右运动，结合上一节最小半径曲线拟合分析结果，其直线导轨长度需满足滑块左右运动的最大横移量要求，并预留有一定的安全裕量。直线导轨预留的安全裕量均大于30 mm，满足线性轴承左右滑动时的安全需求。

2.强度校核

以下主要对线性轴承滑块与导轨及其连接件进行强度校核与评估，其强度直接关乎线性轴承能否正常工作与列车的安全运行问题。

（1）线性轴承滑块及导轨强度校核

计算滑块强度时，选取受力最大的中间滑台上线性轴承滑块作为计算对象，在滑块定位孔施加固定约束，在滑块与导轨的作用面上施加载荷。计算导轨强度时，选取中间滑台的线性轴承导轨作为计算对象，在导轨的定位孔施加固定约束，在导轨与两滑块的作用面上施加载荷。

（2）连接件强度校核

线性轴承连接件主要有连接滑块与滑台的M10螺栓，以及连接导轨与车体底板的M8螺栓。通过给螺栓施加预紧力，使被连接体在受横向载荷作用时，结合面不发生相对位移3。

总结通过对中低速磁浮车辆曲线通过分析，采用线性轴承以适应悬浮架与车体大横向位移要求是必要的，也是可行的。

计算分析了线性轴承的工作负荷、安全系数及额定寿命，并对线性轴承的滑块与导轨及连接件进行了强度校核。计算结果表明选定的线性轴承选型合理，安全系数符合相关规定，线性轴承的滑块与导轨强度满足要求，滑块与滑台的连接螺栓强度满足使用要求。

线性轴承在中低速磁浮车辆上的成功应用，为新一代中低速磁浮车辆研制打下了坚实基础。线性轴承的实际运用效果，包括车辆通过曲线时的性能表现、使用寿命、润滑周期和维护保养等，还有待于线性轴承在车辆上长期运行考核中加以验证1。