線性軸承

線性軸承是一種用於直線運動的滾動或滑動軸承，具有摩擦力小、結構可靠、承載能力強、長距離運行精度高、使用壽命長等特點，常套用於各種工具機、沖床、印表機等工業機械設備。線性球軸承包含一個塑膠保持架，以承載引導球滾動的淬硬鋼滾道段。軸承在淬硬磨光軸上移動。

基本介紹

• 中文名：線性軸承
• 外文名：The linear bearing
• 用於：線性運動的球或滑動軸承
• 包含：一個塑膠保持架
• 承載：引導球滾動的淬硬鋼滾道段
• 學科：機械工程

簡介

線性軸承是一種用於直線運動的滾動或滑動軸承，具有摩擦力小、結構可靠、承載能力強、長距離運行精度高、使用壽命長等特點，常套用於各種工具機、沖床、印表機等工業機械設備。中低速磁浮車輛的懸浮架是由多個基本結構相同的模組裝配組成。磁浮列車通過曲線時，懸浮架模組會根據線路線形擬合成曲線，導致不同位置的模組相對於車體將產生不同的橫向位移量，其中端部模組橫向位移超過300mm。考慮到常套用於機車車輛上的空氣彈簧不足以提供如此大的位移量， 因此在車體與懸浮架之間設定具有大位移技術特點的線性軸承， 以適應中低速磁浮車輛過曲線要求。

中低速磁浮車輛曲線通過分析

中低速磁浮車輛懸浮架在平直道姿態：每節車輛懸浮架共有5個模組裝配，12套滑台裝置，左右模組各6套，其中第Ⅱ、Ⅴ位滑台為固定滑台與車體相連，第Ⅰ、Ⅵ位滑台為端部滑台，第Ⅲ、Ⅳ位滑台為中間滑台。在端部滑台和中間滑台上安裝有線性軸承裝置，線性軸承導軌固定於車體底板，滑塊固定於滑台安裝面上。

列車通過曲線時，懸浮架姿態：理想狀態下各模組處於曲線的徑向位置，擬合成相應曲線。由於Ⅱ、Ⅴ位滑台與車體固定，其位置決定了車體在曲線上的位置。根據曲線擬合分析，端部滑台相對於車體的的橫向位移量最大，中間滑台相對於車體的橫向位移約為端部滑台位移量的一半。由於外軌與內軌的曲線半徑略有差別，且懸浮架左右模組可以相互解耦， 導致同一位滑台相對於內外軌的橫向位移也略有不同。

中低速磁浮列車的正線允許最小平面曲線半徑可達100m，庫線最小曲線半徑可達50m。當列車位於半徑為50m的曲線上時，根據曲線擬合分析初步計算可得各滑台的橫向位移量：位於內側軌道的端部滑台產生的橫向位移最大，其最大值為326mm。普通輪軌車輛轉向架的空氣彈簧最大橫向位移一般也只有120mm左右，而且套用於中低速磁浮車輛的空氣彈簧受限於懸浮架空間結構等因素，空氣彈簧體積較小，其橫向位移值約為20mm，空氣彈簧無法實現如此大的橫向位移， 因此在車體與滑台之間設定大位移線性軸承，滿足懸浮架相對於車體橫向運動的位移需求，是一種較合理的選擇。

線性軸承設計選型

中低速磁浮車輛二系懸掛裝置採用空氣彈簧結構，線性軸承是空氣彈簧懸掛裝置的關鍵部件之一，其設計選型須滿足懸浮架和車體連線、傳遞載荷以及適應車輛曲線通過等性能要求。

空氣彈簧懸掛裝置由空氣彈簧、端部滑台、中間滑台、固定滑台、線性軸承等部件組成。線性軸承水平安裝在端部滑台與中間滑台上，採用雙導軌滑行機構。

1.線性軸承選型

線性軸承是懸浮架上工作負荷較大、安全性要求較高的部件之一， 其性能直接決定了列車能否安全運行並順暢通過曲線。其選型工作主要需考慮車輛負荷、線性軸承安全係數、結構尺寸、可維護性等幾個方面。

（1）線性軸承負荷與安全係數計算

套用於中低速磁浮車輛的線性軸承滑塊主要承受垂向負荷及側向負荷，各滑塊的垂向負荷大小與空氣彈簧對滑台的支撐力大小及作用中心有關，側向負荷與列車牽引或制動時加速度引起的慣性力有關。

（2）端部滑台線性軸承負荷計算

端部滑台的一根導軌採用單滑塊支撐、另一根導軌採用雙滑塊支撐。根據空氣彈簧懸掛裝置設計可知，列車所有空氣彈簧壓力均等，即各空氣彈簧對滑台的支撐力F 大小相等。端部滑台沒有設定牽引拉桿，因此其上線性軸承側向不受車輛縱向力作用。

（3）中間滑台線性軸承負荷計算

中間滑台為左右對稱結構，兩根導軌均採用雙滑塊支撐，因此線性軸承滑塊受到的垂向力兩兩相等。空簧對滑台的支撐力均與端部滑台相同。列車牽引或制動時，牽引拉桿對各滑台的縱向作用力相等，同一滑台上每個線性軸承滑塊受到的側向力也近似認為大小相等。

取前後均有牽引拉桿作用的中間滑台作為計算對象，在列車牽引或制動時，該滑台上的線性軸承滑塊所受的側向力最大。

（2）額定壽命計算

儘管國內暫時沒有正式運營的中低速磁浮線路，根據軌道交通套用經驗估計磁浮運營線每公里的曲線數平均為一個。設磁浮車輛進出曲線時，均按通過正線最小曲線R100 m 所對應的線性軸承滑動量150 mm計算，磁浮車輛每通過曲線一次，線性軸承滑動量總計為300 mm。按磁浮車輛年運行公里數為12.5×104 km計算，線性軸承的年滑動量為37.5 km。因此，可以計算端部滑台上的單滑塊線性軸承的額定計算壽命最小達1392年，雙滑塊線性軸承的額定計算壽命最小為23.2年；中間滑台上的雙滑塊線性軸承額定計算壽命最小為12.4年。

（3）結構尺寸

線性軸承結構尺寸設計主要考慮直線導軌長度尺寸。在通過曲線時，滑塊相對直線導軌左右運動，結合上一節最小半徑曲線擬合分析結果，其直線導軌長度需滿足滑塊左右運動的最大橫移量要求，並預留有一定的安全裕量。直線導軌預留的安全裕量均大於30 mm，滿足線性軸承左右滑動時的安全需求。

2.強度校核

以下主要對線性軸承滑塊與導軌及其連線件進行強度校核與評估，其強度直接關乎線性軸承能否正常工作與列車的安全運行問題。

（1）線性軸承滑塊及導軌強度校核

計算滑塊強度時，選取受力最大的中間滑台上線性軸承滑塊作為計算對象，在滑塊定位孔施加固定約束，在滑塊與導軌的作用面上施載入荷。計算導軌強度時，選取中間滑台的線性軸承導軌作為計算對象，在導軌的定位孔施加固定約束，在導軌與兩滑塊的作用面上施載入荷。

（2）連線件強度校核

線性軸承連線件主要有連線滑塊與滑台的M10螺栓，以及連線導軌與車體底板的M8螺栓。通過給螺栓施加預緊力，使被連線體在受橫向載荷作用時，結合面不發生相對位移。

總結

通過對中低速磁浮車輛曲線通過分析，採用線性軸承以適應懸浮架與車體大橫向位移要求是必要的，也是可行的。

計算分析了線性軸承的工作負荷、安全係數及額定壽命，並對線性軸承的滑塊與導軌及連線件進行了強度校核。計算結果表明選定的線性軸承選型合理，安全係數符合相關規定，線性軸承的滑塊與導軌強度滿足要求，滑塊與滑台的連線螺栓強度滿足使用要求。

線性軸承在中低速磁浮車輛上的成功套用，為新一代中低速磁浮車輛研製打下了堅實基礎。線性軸承的實際運用效果，包括車輛通過曲線時的性能表現、使用壽命、潤滑周期和維護保養等，還有待於線性軸承在車輛上長期運行考核中加以驗證。