低地板車新型鉸接金屬關節軸承研制

賀小龍， 羅 斌， 莊征宇， 杜方孟， 劉文松

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

關節軸承一般情況下在低速下作擺動、傾斜和旋轉運動，基本結構為球面。其特點是結構簡單、體積小、承載能力大,廣泛用于航空、城軌、工程機械等領域[1-3]。

金屬關節軸承主要由內球面外圈、外球面內圈和耐磨襯套等組成[4-5]。目前，國內外主要在關節軸承的設計、耐磨材料的選擇和有限元分析計算等方面對關節軸承進行了研究[6-7]。曲慶文等[5]根據關節軸承的工作特性討論了關節軸承的應用及性能分析,為關節軸承的正確選用和進一步分析計算提供依據；熊尉伶等[8]論述了金屬基固體自潤滑軸承的特性，提出了具體案例的尺寸設計，為固體自潤滑軸承的正確選用和進一步分析計算提供依據；楊麗穎等[9]論述了固體自潤滑軸承的特性、設計及應用情況，并對無油自潤滑提高使用壽命進行了一定的研究；李科委等[10]介紹了襯墊自潤滑關節軸承的發展過程、現狀和趨勢；文獻[11]對大型推力關節軸承進行有限元仿真分析，研究了關節軸承在軸向載荷、純徑向載荷和軸向、徑向復合載荷3 種情況下接觸應力、球體內孔徑向變形及軸向變形的變化規律，指出了內孔徑的最大變形可作為確定軸承與軸配合間隙的理論依據。但是對有軌電車用新型鉸接金屬關節軸承的相關研究較少。

因此，研制出一種新型結構的鉸接金屬關節軸承，針對普通關節軸承在結構設計上進行一定的優化，設計滿足車輛運行工況要求，該結構采用碗狀結構設計、球形滑動接觸面大，提升其承載能力。耐磨襯套的合理使用，實現自潤滑并延長使用壽命，最終通過有限元分析計算和疲勞試驗對該結構進行驗證。1運動分析

固定鉸接裝置具備的基本功能需滿足前后車廂間3種基本運動如圖1所示。

(1)前后車廂相對于鉸接裝置X方向的側滾運動；

(2)前后車廂相對于Y軸方向的俯仰運動；

(3)前后車廂在相對于Z軸方向的扭轉運動。

圖1 固定鉸接裝置三向基本相對運動

2 鉸接金屬關節軸承結構

鉸接金屬關節軸承主要由內球面外圈、外球面內圈、外座套和耐磨襯套等組成，如圖2所示。該結構能滿足固定鉸接三向基本相對運動的要求，其中外球面內圈外表面采用球面設計，并使用螺栓與外座套緊固，主要作用為垂向提供接觸面，保證耐磨襯套不發生脫落，螺栓的使用有利于拆解和分析；內球面外圈內外表面都采用球面設計能增大球形滑動接觸面，使運動更加平穩；耐磨襯套材料的使用，具有自潤滑等特性，其中金屬基體承受載荷，特殊配方的固體潤滑材料起潤滑作用。

圖2 鉸接金屬關節軸承組成圖

3 有限元分析計算

3.1 分析模型及疲勞工況參數

利用ABAQUS和FE-SAFE軟件對球鉸進行有限元分析，根據產品結構建立3D模型，并進行網格劃分，網格模型劃分如圖3所示。其疲勞加載工況根據固定鉸接裝置的裝車實際運行情況而定，如表1所示。

圖3 鉸接金屬關節軸承 有限元分析網格劃分

加載方向軸向/kN徑向/kN動載±40±75

3.2 材料的選擇

鉸接金屬關節軸承主要選用不銹鋼材料，而耐磨襯套的選用需考慮其強度以及潤滑性能。材料的選擇及性能要求如表2所示，其中外座套和外球面內圈采用同一種材料。

表2 金屬關節軸承各個部件性能

3.3 應力分布

有限元分析軟件計算關鍵部件的疲勞壽命。工況1：徑向和軸向兩向受壓，分別為FX=-45 kN和FZ=-75 kN；工況2：徑向和軸向兩向受拉，分別為FX=+45 kN和FZ=+75 kN。其應力分布云圖分別如圖4和圖5所示。

根據疲勞工況下的應力分布云圖，修正的疲勞壽命曲線σo-σALT的關系曲線[12]如圖6所示，根據圖6可形成關系式：

圖4 疲勞工況FX=-45 kN和FZ=-75 kN應力分布情況

(1)

根據等效損傷進行換算。即原載荷譜對產品的損傷等于新載荷下循環次數對應的損傷[13]。

(2)

(3)

(4)

其中σo為抗拉強度；σMIN為最小應力；σMAX為最大應力；σALT為循環應力；σMEAN為平均應力；σEQUIV為等效應力。

疲勞壽命計算如式[13]：

(5)

根據圖7中擬合曲線結合圖4、圖5有限元分析可知：

圖5 疲勞工況FX=+45 kN和FZ=+75 kN應力分布情況

圖6 修正的疲勞壽命曲線

疲勞工況下，使用S-N曲線對產品各部件進行疲勞壽命計算。根據計算結果，該產品的各部件的疲勞壽命都大于107，滿足設計要求。

4 型式試驗

金屬關節通過專用工裝固定在專用疲勞試驗機上，進行160萬次疲勞試驗后，該工況基本模擬裝車使用工況，能夠驗證金屬關節的疲勞壽命情況以及其耐磨襯套的磨損情況。

經過160萬次疲勞試驗前后鉸接金屬關節外觀對比如圖8所示。該金屬關節軸承整體外觀無明顯破壞，但是該結構內部球形接觸面的耐磨襯套在運動過程中石墨會發生磨損，產生小顆粒狀石墨擠出并粘在接觸面周圍，這樣有利于鉸接金屬關節軸承的潤滑，提高產品使用壽命。

表2 疲勞壽命總結

圖7 鉸接金屬關節軸承各個零部件的S-N曲線圖

圖8 產品試驗前后對比圖

將耐磨襯套去除單獨分析，其零部件試驗前后圖如圖9所示，對金屬關節的整體高度(H)和耐磨襯套的內球徑(R)進行測量，測量結果如表3所示。由表3分析可知：金屬關節的平均高度由原來的91.118 mm下降至90.784 mm，下降了0.334 mm；耐磨襯套的內球徑由原來的149.986 mm擴大到150.07 mm，擴大了0.084 mm。說明在試驗過程中，在垂向載荷作用下，耐磨襯套的內表面會發生磨損，磨損量約為0.084 mm，從而說明該結構滿足整體耐磨性能要求。

圖9 耐磨襯套試驗前后拆解圖

試驗狀態平均值高度H/mm試驗前91.1291.1591.0891.0691.1891.118試驗后90.9890.5090.6090.9690.8890.784耐磨襯套內球徑試驗前149.99149.98149.99149.99149.98149.986R/mm試驗后150.06150.01150.02150.05150.00150.07

5 結 論

(1) 利用S-N曲線結合有限元分析計算，鉸接金屬關節軸承各個部件均滿足疲勞壽命要求；

(2) 通過160萬次疲勞試驗后，在垂向載荷(62±10) kN、橫向拉壓位移±50 mm、頻率0.5 Hz的工況下，其金屬關節軸承的高度下降0.334 mm，耐磨襯套內圈球徑擴大0.084 mm，滿足整體性能要求。