軸承綜合試驗臺強度有限元分析

徐聰　徐玲玲　崔雷　王明海

摘要：建立某新型高速鐵路軸承綜合試驗臺的參數化有限元模型，參照相關標準利用RADIOSS對其進行靜強度和疲勞強度分析.該新型軸承試驗臺在靜強度方面能夠滿足高速鐵路軸承的試驗要求；疲勞分析結果指出其前期設計中的薄弱位置.

關鍵詞：高速鐵路； 有限元； 軸承試驗臺； 靜強度； 疲勞強度

中圖分類號： U270.7； TH123.3

文獻標志碼： B

0引言

高速鐵路的快速發展是我國經濟快速發展的必然要求.在鐵路車輛中作為行走支撐部件的軸承，每年都有成萬套損壞、更換，這種情況在高速鐵路中尤為常見.軸承的精度、壽命和可靠性等對高速車輛的行駛性能和安全性起重要作用.

為模擬高速鐵路軸承在極限工況下的各項性能，目前，國內外正著手高速鐵路軸承綜合性能試驗臺的研制，其中，國外高速鐵路試驗臺發展較快.例如，瑞典SKF研制的高速鐵路軸承試驗臺，試驗時速達到550 km，可以模擬轉向架的動態載荷，并對軸承進行綜合性能測試.[1]

1計算對象簡介

計算所用的高速鐵路軸承綜合性能試驗臺能夠滿足350～500 km/h高速鐵路軸承性能試驗的需要，通過試驗臺能夠模擬實際使用狀況，進行不同工況條件下軸承的急加速試驗和耐久性試驗，并能記錄軸承箱體溫度和振動等多個重要技術參數，以分析軸承的摩擦磨損性、抗疲勞性以及潤滑油脂特性等，為改進軸承設計制造水平和優化潤滑技術提供有效依據.

該試驗臺由機械系統、液壓伺服系統、電氣系統、測控系統、潤滑系統、監控系統和輔助設備等組成.

試驗臺機械系統主要由構架、主軸組成、徑向加載裝置、軸向加載裝置、徑向加載調節裝置和輔助工裝等組成.試驗臺的機械結構見圖1，并約定坐標系方向，見圖2.結構的主要材料：主軸為LZW（50#車軸鋼），支撐軸承座和試驗軸承座為ZG310570，軸向加載裝置拉桿為45#鋼，其余結構材料選用Q345B.材料參數見表1.

3有限元計算

前處理軟件采用HyperMesh，計算軟件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作為后處理軟件進行應力云圖的查看分析.質量單位為t，長度單位為mm，力單位為N，應力單位為MPa .

3.1網格劃分

根據試驗臺的結構，構架采用殼單元模擬，單元大小約10 mm，厚度取設計值.軸向加載裝置、支撐軸承座、試驗軸承座及主軸采用實體單元模擬，單元大小約10 mm.整個模型單元共794 806個，節點838 916個.試驗臺有限元模型見圖6，試驗臺中的徑向加載裝置、軸向加載裝置及電機等部件采用質量單元模擬，通過耦合約束將質量單元與主結構連接在一起.主軸有限元模型見圖7，螺栓連接處采用耦合約束進行簡化，見圖8.

3.3靜強度計算結果分析

3.3.1試驗臺主結構的靜強度計算結果

試驗臺的靜強度工況1和2的應力統計結果見表9，工況1應力云圖見圖9，工況2應力云圖見圖10.可知，各工況的應力均低于材料的許用應力，應力大的位置主要分布在電機座與構架連接處及支撐軸承座與構架連接處，最大值為82.54 MPa.

4結束語

通過對高速鐵路軸承試驗臺有限元仿真分析，從靜強度應力結果可以看出，該設計滿足材料的屈服強度，而且具有較高的安全裕量.從疲勞強度結果可以看出，絕大部分機構滿足疲勞強度要求，但軸向加載裝置加載座焊縫處利用因數達到1.1，該部位疲勞性能不能滿足標準要求，建議對該部位結構進行改進.綜上，有限元分析可以參與到工程設計中，并且可以為設計提出改進方案，不僅可以提高設計效率，且可以減少成本投入.

參考文獻：

[1]晁代勇. 高速鐵路軸承試驗臺設計研究[D]. 洛陽： 河南科技大學， 2011.

[2]趙洪倫. 軌道車輛結構與設計[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限單元法[M]. 北京： 清華大學出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000機車車輛軸箱滾動軸承在軸承試驗機上的熱試驗方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996車輛車軸設計與強度計算方法[S].

（編輯于杰）

摘要：建立某新型高速鐵路軸承綜合試驗臺的參數化有限元模型，參照相關標準利用RADIOSS對其進行靜強度和疲勞強度分析.該新型軸承試驗臺在靜強度方面能夠滿足高速鐵路軸承的試驗要求；疲勞分析結果指出其前期設計中的薄弱位置.

關鍵詞：高速鐵路； 有限元； 軸承試驗臺； 靜強度； 疲勞強度

中圖分類號： U270.7； TH123.3

文獻標志碼： B

0引言

高速鐵路的快速發展是我國經濟快速發展的必然要求.在鐵路車輛中作為行走支撐部件的軸承，每年都有成萬套損壞、更換，這種情況在高速鐵路中尤為常見.軸承的精度、壽命和可靠性等對高速車輛的行駛性能和安全性起重要作用.

為模擬高速鐵路軸承在極限工況下的各項性能，目前，國內外正著手高速鐵路軸承綜合性能試驗臺的研制，其中，國外高速鐵路試驗臺發展較快.例如，瑞典SKF研制的高速鐵路軸承試驗臺，試驗時速達到550 km，可以模擬轉向架的動態載荷，并對軸承進行綜合性能測試.[1]

1計算對象簡介

計算所用的高速鐵路軸承綜合性能試驗臺能夠滿足350～500 km/h高速鐵路軸承性能試驗的需要，通過試驗臺能夠模擬實際使用狀況，進行不同工況條件下軸承的急加速試驗和耐久性試驗，并能記錄軸承箱體溫度和振動等多個重要技術參數，以分析軸承的摩擦磨損性、抗疲勞性以及潤滑油脂特性等，為改進軸承設計制造水平和優化潤滑技術提供有效依據.

該試驗臺由機械系統、液壓伺服系統、電氣系統、測控系統、潤滑系統、監控系統和輔助設備等組成.

試驗臺機械系統主要由構架、主軸組成、徑向加載裝置、軸向加載裝置、徑向加載調節裝置和輔助工裝等組成.試驗臺的機械結構見圖1，并約定坐標系方向，見圖2.結構的主要材料：主軸為LZW（50#車軸鋼），支撐軸承座和試驗軸承座為ZG310570，軸向加載裝置拉桿為45#鋼，其余結構材料選用Q345B.材料參數見表1.

3有限元計算

前處理軟件采用HyperMesh，計算軟件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作為后處理軟件進行應力云圖的查看分析.質量單位為t，長度單位為mm，力單位為N，應力單位為MPa .

3.1網格劃分

根據試驗臺的結構，構架采用殼單元模擬，單元大小約10 mm，厚度取設計值.軸向加載裝置、支撐軸承座、試驗軸承座及主軸采用實體單元模擬，單元大小約10 mm.整個模型單元共794 806個，節點838 916個.試驗臺有限元模型見圖6，試驗臺中的徑向加載裝置、軸向加載裝置及電機等部件采用質量單元模擬，通過耦合約束將質量單元與主結構連接在一起.主軸有限元模型見圖7，螺栓連接處采用耦合約束進行簡化，見圖8.

3.3靜強度計算結果分析

3.3.1試驗臺主結構的靜強度計算結果

試驗臺的靜強度工況1和2的應力統計結果見表9，工況1應力云圖見圖9，工況2應力云圖見圖10.可知，各工況的應力均低于材料的許用應力，應力大的位置主要分布在電機座與構架連接處及支撐軸承座與構架連接處，最大值為82.54 MPa.

4結束語

通過對高速鐵路軸承試驗臺有限元仿真分析，從靜強度應力結果可以看出，該設計滿足材料的屈服強度，而且具有較高的安全裕量.從疲勞強度結果可以看出，絕大部分機構滿足疲勞強度要求，但軸向加載裝置加載座焊縫處利用因數達到1.1，該部位疲勞性能不能滿足標準要求，建議對該部位結構進行改進.綜上，有限元分析可以參與到工程設計中，并且可以為設計提出改進方案，不僅可以提高設計效率，且可以減少成本投入.

參考文獻：

[1]晁代勇. 高速鐵路軸承試驗臺設計研究[D]. 洛陽： 河南科技大學， 2011.

[2]趙洪倫. 軌道車輛結構與設計[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限單元法[M]. 北京： 清華大學出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000機車車輛軸箱滾動軸承在軸承試驗機上的熱試驗方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996車輛車軸設計與強度計算方法[S].

（編輯于杰）

摘要：建立某新型高速鐵路軸承綜合試驗臺的參數化有限元模型，參照相關標準利用RADIOSS對其進行靜強度和疲勞強度分析.該新型軸承試驗臺在靜強度方面能夠滿足高速鐵路軸承的試驗要求；疲勞分析結果指出其前期設計中的薄弱位置.

關鍵詞：高速鐵路； 有限元； 軸承試驗臺； 靜強度； 疲勞強度

中圖分類號： U270.7； TH123.3

文獻標志碼： B

0引言

高速鐵路的快速發展是我國經濟快速發展的必然要求.在鐵路車輛中作為行走支撐部件的軸承，每年都有成萬套損壞、更換，這種情況在高速鐵路中尤為常見.軸承的精度、壽命和可靠性等對高速車輛的行駛性能和安全性起重要作用.

為模擬高速鐵路軸承在極限工況下的各項性能，目前，國內外正著手高速鐵路軸承綜合性能試驗臺的研制，其中，國外高速鐵路試驗臺發展較快.例如，瑞典SKF研制的高速鐵路軸承試驗臺，試驗時速達到550 km，可以模擬轉向架的動態載荷，并對軸承進行綜合性能測試.[1]

1計算對象簡介

計算所用的高速鐵路軸承綜合性能試驗臺能夠滿足350～500 km/h高速鐵路軸承性能試驗的需要，通過試驗臺能夠模擬實際使用狀況，進行不同工況條件下軸承的急加速試驗和耐久性試驗，并能記錄軸承箱體溫度和振動等多個重要技術參數，以分析軸承的摩擦磨損性、抗疲勞性以及潤滑油脂特性等，為改進軸承設計制造水平和優化潤滑技術提供有效依據.

該試驗臺由機械系統、液壓伺服系統、電氣系統、測控系統、潤滑系統、監控系統和輔助設備等組成.

試驗臺機械系統主要由構架、主軸組成、徑向加載裝置、軸向加載裝置、徑向加載調節裝置和輔助工裝等組成.試驗臺的機械結構見圖1，并約定坐標系方向，見圖2.結構的主要材料：主軸為LZW（50#車軸鋼），支撐軸承座和試驗軸承座為ZG310570，軸向加載裝置拉桿為45#鋼，其余結構材料選用Q345B.材料參數見表1.

3有限元計算

前處理軟件采用HyperMesh，計算軟件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作為后處理軟件進行應力云圖的查看分析.質量單位為t，長度單位為mm，力單位為N，應力單位為MPa .

3.1網格劃分

根據試驗臺的結構，構架采用殼單元模擬，單元大小約10 mm，厚度取設計值.軸向加載裝置、支撐軸承座、試驗軸承座及主軸采用實體單元模擬，單元大小約10 mm.整個模型單元共794 806個，節點838 916個.試驗臺有限元模型見圖6，試驗臺中的徑向加載裝置、軸向加載裝置及電機等部件采用質量單元模擬，通過耦合約束將質量單元與主結構連接在一起.主軸有限元模型見圖7，螺栓連接處采用耦合約束進行簡化，見圖8.

3.3靜強度計算結果分析

3.3.1試驗臺主結構的靜強度計算結果

試驗臺的靜強度工況1和2的應力統計結果見表9，工況1應力云圖見圖9，工況2應力云圖見圖10.可知，各工況的應力均低于材料的許用應力，應力大的位置主要分布在電機座與構架連接處及支撐軸承座與構架連接處，最大值為82.54 MPa.

4結束語

通過對高速鐵路軸承試驗臺有限元仿真分析，從靜強度應力結果可以看出，該設計滿足材料的屈服強度，而且具有較高的安全裕量.從疲勞強度結果可以看出，絕大部分機構滿足疲勞強度要求，但軸向加載裝置加載座焊縫處利用因數達到1.1，該部位疲勞性能不能滿足標準要求，建議對該部位結構進行改進.綜上，有限元分析可以參與到工程設計中，并且可以為設計提出改進方案，不僅可以提高設計效率，且可以減少成本投入.

參考文獻：

[1]晁代勇. 高速鐵路軸承試驗臺設計研究[D]. 洛陽： 河南科技大學， 2011.

[2]趙洪倫. 軌道車輛結構與設計[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限單元法[M]. 北京： 清華大學出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000機車車輛軸箱滾動軸承在軸承試驗機上的熱試驗方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996車輛車軸設計與強度計算方法[S].

（編輯于杰）