材料屬性對貨車軸承密封罩過盈聯接的影響

張秀娟，羅雙椿，劉 雨

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

貨車軸承密封罩壓裝屬于過盈聯接，具有傳遞力大和可靠性好等優點［1］，目前對于密封罩過盈聯接的研究主要為壓裝過盈量的研究［2-3］，認為實際壓裝過盈量小于規定值是過盈聯接不可靠產生脫罩的主要原因.另外，密封罩的加工工藝不合理以及檢測手段落后使得其加工工藝尺寸不合理，從而使得過盈聯接不可靠［4-5］.拆卸、壓裝及扭矩檢測過程中存在問題也是過盈聯接不可靠的一個因素［6］，對于密封罩的材料研究較少，主要成果為對密封橡膠材料使用壽命的研究［7］.從實際生產實踐可知，對于密封罩過盈聯接的影響因素較多，而在設計過程中選擇適宜的零件材料對于過盈聯接的深入研究和應用有著十分重要的作用.因此，本文以352226X2-2RZ型貨車軸承密封罩壓裝過程為例，采用有限元分析軟件ABAQUS對其壓裝過程進行彈塑性分析，從材料屬性(摩擦系數、彈性模量和泊松比)對密封罩過盈聯接時產生的應力、應變的影響規律進行總結歸納，為密封罩過盈聯接設計選材提供一定的理論依據.

1 應力應變有限元分析結果

采用ABAQUS有限元分析軟件對352226X2-2RZ型貨車軸承密封罩壓裝過程進行彈塑性分析，其模型和網格劃分如圖1所示.軸承密封罩的材料屬性為彈塑性材料，密封罩采用的材料大多是08Al，其抗拉強度為335 MPa，屈服極限為210 MPa，楊氏模量為 207 GPa，泊松比為 0.3［3］，材料的應力—應變曲線如圖2所示.軸承外圈設置為彈性材料，選用軸承合金鋼，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.25.其約束條件為:將軸承外圈底端全部約束，對密封罩僅保留Y方向的平動自由度.密封罩和軸承外圈的兩個接觸面設定為庫倫摩擦接觸的有限滑移問題，允許兩個接觸面之間可以有相對滑動，摩擦系數取為0.2.有限元分析模型通過設置密封罩在分析步中移動參數來實現密封罩位移載荷的定義，將接觸分析步和作用分析步中密封罩邊界條件中的Y方向位移值分別設為-0.01和-12.31，即在接觸分析步和作用分析步中密封罩分別下壓0.01和12.31 mm.

圖1 有限元分析模型

圖2 08AL的應力－應變曲線

2 材料屬性對密封罩過盈聯接的影響

2.1 摩擦系數

過盈聯接是借助摩擦力實現扭矩和軸向力的傳遞［5］，如果摩擦系數取值比實際值偏大，則實際所能承載的扭矩或者軸向力就偏小，工作中兩者易發生相對滑動.反之，若摩擦系數取值偏小，則導致裝配難度增大，并使非聯接部位產生較大的應力集中.因此，選用準確的摩擦系數對于保證過盈聯接可靠性是十分重要的［2］.本文首先在壓裝深度為0.2 mm，選擇了四個摩擦系數，分別為0.15、0.20、0.25、0.30.通過這四個摩擦系數來分析其對于整個壓裝過程的應力和應變影響規律.圖3為密封罩在不同階段，不同摩擦系數條件下的塑性應變、最大接觸應力、最大等效應力變化曲線圖，其具體數值如表1所示.

圖3 有限元分析結果(不同摩擦系數)

表1 密封罩應力應變數據

由圖3可知:①摩擦系數的增加導致密封罩塑性應變、最大接觸應力及最大等效應力都會增加.這主要是由于摩擦系數的提升使摩擦力增加，摩擦力的增加使密封罩與軸承外圈之間產生更加劇烈的擠壓，導致密封罩產生更大的塑性變形，與軸承外圈之間的接觸應力更大，因而等效應力也有所增加;②當摩擦系數從0.10升至0.15時，材料所產生的塑性應變變化幅度還相對較小，而當摩擦系數繼續升高時，塑性應變的變化量大幅度上升，密封罩產生強烈的塑性變形;③當摩擦系數從0.20升至0.25時，密封罩所受最大接觸應力變化幅度反而小于摩擦系數從0.15升至0.20時，這是因為摩擦系數從0.20升至0.25時，密封罩受到的塑性變形比摩擦系數從0.15升至0.20時更大，材料發生大幅度塑性變形，使密封罩與軸承外圈之間的接觸壓力減小，從而導致其最大接觸應力的變化幅度減小;④摩擦系數由0.15升至0.20時，最大等效應力變化幅度最大，其余各段變化幅度相差不大.其主要原因是在摩擦系數為0.15～0.20時，密封罩所產生的塑性應變相對較小，當摩擦系數由0.20升至0.25時，塑性應變持續增加，材料產生強烈的塑性變形，導致密封罩與軸承外圈之間的接觸力下降，同時也使得最大等效應力變化幅度降低;而在摩擦系數為0.10～0.15范圍時，由摩擦系數所引起的摩擦力較小，對于接觸壓力的影響力也相對較低，因此在該階段最大等效應力變化的幅值也小于摩擦系數為0.15～0.20時段;⑤摩擦系數對材料塑性應變的影響遠遠大于其對材料最大等效應力、最大接觸應力的影響，摩擦系數對材料最大等效應力和最大接觸應力的影響相似.當摩擦系數高于0.15時，其塑性應變、最大接觸應力以及最大等效應力都有較大幅度的上升，這就容易導致材料產生應力集中、密封罩的使用壽命大大降低.

2.2 彈性模量

彈性模量是工程材料的重要參數，表示材料在受外力作用下時產生單位彈性變形所需要的應力.彈性模量越大，則材料剛度越大;反之越小，則材料剛度越小.若彈性模量選擇過小，則會使材料剛度過小，無法傳遞所需要的載荷.若彈性模量選擇過大，就會使得聯接件剛性過大，在使用時承受了更大的應力，會降低其使用壽命，造成不必要的損失，因此選擇合適的材料在密封罩過盈聯接過程當中至關重要.

本文在其它條件均不變的條件下，選取泊松比為0.30時的壓裝過程進行分析，分別選取彈性模量180、210、240、270GPa對過盈狀態進行分析.圖4為密封罩在不同彈性模量條件下的塑性應變、最大接觸應力和最大等效應力變化曲線圖，其具體分析數據如表2所示.

圖4 有限元分析結果(不同彈性模量)

表2 密封罩應力應變數據

由圖4可知:①隨著彈性模量的增加，材料所產生的塑性變形的增幅也越來越大，這是因為彈性模量的增加會導致密封罩與軸承外圈之間載荷的增加，接觸面接觸壓力增加，伴隨著摩擦力的增加，兩者共同作用，使得塑性變形增幅加大，在彈性模量240～270 GPa時達到最大值;②彈性模量的增加會使密封罩上的最大接觸應力增加，主要是因為材料彈性模量的增大會增加材料的剛度，使得密封罩與軸承外圈之間的載荷增加.從上述數據變化可知，每當彈性模量有所上升時，密封罩所受的最大接觸應力增幅大致相同，最大為7%，最小則為4%，可知彈性模量的變化對最大接觸應力的影響較為平穩;③隨著彈性模量的增加，密封罩上最大等效應力增加幅度慢慢減小，這主要是因為彈性模量的變化會影響到密封罩與和軸承外圈接觸應力的變化，同時還會影響密封罩上的塑性變形，由于彈性模量越大，密封罩上產生的塑性變形越大.密封罩與外圈之間接觸壓力的增加會使得最大等效應力上升，而塑性變形又會降低最大等效應力，兩者共同作用，導致密封罩上最大等效應力增幅下降.但是同時發現，密封罩上最大等效應力增量之差均小于10 MPa，可知密封罩由彈性模量所引起的最大等效應力變化較為平穩.

2.3 泊松比

泊松比則是材料橫向應變和縱向應變比值的負數，反映了材料的橫向變形程度.在彈性范圍內，泊松比一般為常數，但在超越彈性范圍之后，泊松比則會隨著應力的增大而增大，直到泊松比為0.5為止.本文在壓裝深度不變的情況下，選取過盈量為0.30 mm時進行討論，首先將彈性模量設置為 210 GPa，而后分別取泊松比 0.26、0.28、0.30、0.32、0.34 等五個數值進行彈塑性模擬.圖5為密封罩在不同泊松比條件下的塑性應變、最大接觸應力和最大等效應力變化曲線圖，其具體分析數據如表3所示.

圖5 有限元分析結果(不同泊松比)

表3 密封罩應力應變數據

隨著泊松比的增加，材料的塑性應變、最大接觸應力以及最大等效應力的數值均增加，但是可以看出，泊松比對于密封罩過盈聯接的影響較弱.密封罩的塑性應變、最大接觸應力、最大等效應力的數值變化都較為微弱，其應力應變數值變化幅度大致相同.故泊松比并不是貨車軸承密封罩過盈聯接應力應變的主要影響因素.

3 結論

通過上述分析可知，摩擦系數和彈性模量是密封罩過盈聯接的主要影響因素，而泊松比對于密封罩過盈聯接影響較小.此外，摩擦系數對密封罩過盈聯接的塑性變形影響最大，對最大等效應力和最大接觸應力有相似的影響規律;彈性模量對密封罩過盈聯接的最大接觸應力影響最大，而其對于最大等效應力的影響規律和摩擦系數對于最大等效應力的影響規律大致相同.

［1］劉寶慶.過盈聯接摩擦系數的理論及試驗研究［D］.大連:大連理工大學，2008.

［2］左紅磊.352226X2-2RZ型軸承密封罩脫出原因及改進措施［J］.鐵道車輛.2013，51(7):44-44.

［3］王闖.貨車滾動軸承密封罩脫出的原因及防控措施［J］.哈爾濱鐵道科技，2014(4):38-40.

［4］湯太平，程迪.352226X2-2RZ型軸承密封罩脫出原因分析與改進［J］.機車車輛工藝，2014(4):45-46.

［5］孫傳印.貨車滾動軸承密封罩脫落原因分析及建議［J］.鐵道車輛，2011:49(11):40-43.

［6］陳振剛，胡稟梅，倪憲報.鐵路貨車軸承密封罩脫出問題原因探討及對策［J］.機車車輛工藝，2013(2):47-48.

［7］魏海軍.軸承密封橡膠材料使用壽命的試驗研究［D］.大連:大連理工大學，2013.