基于機(jī)車輪對(duì)軸箱新型軸承的偏載效應(yīng)分析?

楊 文 石金艷 黃劍鋒 張克昌

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通裝備智能制造學(xué)院 株洲 412001）

1 引言

機(jī)車輪對(duì)是機(jī)車車輛最重要的零部件之一，其結(jié)構(gòu)的安全服役直接影響機(jī)車的正常運(yùn)行。機(jī)車輪對(duì)包括車軸和車輪兩部分構(gòu)成，通過(guò)軸箱裝配在轉(zhuǎn)向架上，形成機(jī)車的行走功能部件。機(jī)車車廂的載荷通過(guò)轉(zhuǎn)向架、軸箱、軸承、車軸、車輪自上而下傳遞到鋼軌，圓柱滾子軸承在整個(gè)行走功能部件中起著傳遞和承擔(dān)載荷的重要作用。

1）相關(guān)科學(xué)問(wèn)題

圓柱滾子軸承內(nèi)圈通過(guò)過(guò)盈配合裝配在軸上，輪軸在復(fù)雜載荷作用下發(fā)生彎曲變形，軸承內(nèi)圈相對(duì)于外圈產(chǎn)生非平行的傾角，在圓柱滾子軸承中，滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)外圈的滾道將不再平行，沿中截面兩側(cè)的滾動(dòng)體受到不對(duì)稱的線載荷分布，從而形成偏載效應(yīng)。當(dāng)發(fā)生偏載效應(yīng)時(shí)，載荷分布集中在滾動(dòng)體一側(cè)，使得該側(cè)過(guò)早發(fā)生疲勞失效，由于滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)外圈非平行分布，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不能按照正常的軌跡運(yùn)動(dòng)，歪斜的滾動(dòng)體將導(dǎo)致軸承保持架加速磨損，從而導(dǎo)致保持架的早期疲勞失效。在機(jī)車服役中，由于偏載效應(yīng)導(dǎo)致圓柱滾子軸承產(chǎn)生疲勞破壞，是整個(gè)行走功能部件中失效概率最高的部件。

2）研究進(jìn)展

（1）基礎(chǔ)研究。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓柱滾子軸承偏載效應(yīng)進(jìn)行了大量的理論研究。SCHAUDE［1］提出對(duì)圓柱滾子軸承采用切片法并通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算求解偏載效應(yīng)的應(yīng)力分布情況。李云峰［2］針對(duì)聯(lián)合載荷下的交叉圓柱滾子軸承的偏載效應(yīng)接觸應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，提出游隙合理取值對(duì)滾子修型來(lái)改善接觸狀況。馮定［3］通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)態(tài)模擬偏載效應(yīng)下滾針軸承的破壞失效進(jìn)行了分析。魏延剛［4］提出對(duì)稱修形可以避免邊緣效應(yīng)，通過(guò)有限元方法分析表明非對(duì)稱修形可以克服偏載效應(yīng)。劉光明［5］利用有限元軟件對(duì)滾動(dòng)軸承模型進(jìn)行計(jì)算，分析了變形抗力和張力對(duì)軸承載荷分布的影響，結(jié)果表明軸承偏載效應(yīng)與變形抗力呈現(xiàn)規(guī)律性變化。毛月新［6］根據(jù)彈性接觸理論，分析了偏載工況下的滾動(dòng)軸承接觸表面各因素之間的關(guān)系，并通過(guò)引入彈性趨近量變化函數(shù)建立平衡方程，對(duì)凸度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

（2）應(yīng)用研究。針對(duì)機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承的偏載效應(yīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究。韓光旭［7］提出高速動(dòng)車組的轉(zhuǎn)向架軸箱軸承的選型分析，綜合考慮當(dāng)量動(dòng)載荷的偏載效應(yīng)提出合理的選型能有效保證軸承的使用壽命。楊春輝［8］對(duì)鐵路貨車滾動(dòng)軸承偏載距離進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著偏載距離增大應(yīng)力集中越明顯。張瑞田［9］提出偏載惡化車輛服役動(dòng)力學(xué)性能，降低了機(jī)車車輛的關(guān)鍵零部件的服役壽命，并通過(guò)建立軸承載荷和概論壽命的評(píng)估方法，揭示偏載效應(yīng)引起的概率壽命呈現(xiàn)規(guī)律變化。劉浩炳［10］以貨車軸承為例，建立貨車輪對(duì)平衡力系，采用有限元方法計(jì)算了不同偏載距離對(duì)軸承承載能力的影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承偏載的研究主要是集中在承載能力和壽命的研究，通過(guò)對(duì)軸箱軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)克服偏載效應(yīng)的研究尚未見到相關(guān)報(bào)道。

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承是一種新型滾子軸承［11～15］，見圖1。其結(jié)構(gòu)形式是在帶深穴的空心圓柱滾動(dòng)體中內(nèi)嵌高分子材料，形成復(fù)合圓柱滾動(dòng)體。國(guó)內(nèi)學(xué)者姚齊水等對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾子軸承進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)研究，主要研究包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及其力學(xué)性能和物理性能［16～19］。研究表明：彈性復(fù)合圓柱滾子軸承具有良好的力學(xué)性能和物理性能，特別是在接觸力學(xué)和接觸變形方面其優(yōu)勢(shì)明顯［20～21］。

圖1 彈性復(fù)合圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)圖

本文的目的是針對(duì)機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承的承載應(yīng)力分布和應(yīng)力集中，通過(guò)建立機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承力學(xué)模型，采用數(shù)值方法來(lái)分析偏載效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理及影響的因素，提出將新型圓柱滾子軸承應(yīng)用于機(jī)車輪對(duì)軸箱，通過(guò)改進(jìn)圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善偏載效應(yīng)的有效方法。

2 力學(xué)模型

2.1 機(jī)車輪對(duì)力學(xué)分析

作為傳動(dòng)支承核心部件，輪對(duì)結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行機(jī)車上得到廣泛運(yùn)用，在運(yùn)行中承受著各種復(fù)雜且隨機(jī)的載荷。機(jī)車輪對(duì)通過(guò)兩側(cè)軸箱軸承座以及懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架連接，承受整車車體及轉(zhuǎn)向架的載荷，包括作用于軸箱軸承座的垂向載荷P1、P2，橫向載荷Y1、Y2和縱向載荷Q1、Q2，機(jī)車車軸受力狀況如圖2所示。

圖2 機(jī)車車軸受力狀況示意圖

1）垂向載荷

式中，F(xiàn)z為構(gòu)架垂向載荷，N；mv為車輛的質(zhì)量，kg；c1為旅客和行李的質(zhì)量，kg；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，kg；nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)；k為動(dòng)荷系數(shù)，一般取1.4。

輪對(duì)軸頸載荷為

式中，nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)；ne為輪對(duì)數(shù)。

如果二系懸掛的橫向剛度為K，橫向止擋間隙為D，則二系懸掛所分得的載荷為

3）縱向載荷

在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上施加一個(gè)縱向牽引載荷，該載荷為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，kx一般取3。

2.2 軸箱軸承力學(xué)分析

機(jī)車車輛在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常存在偏載的情況，實(shí)際上就是軸箱垂向載荷受載不均，垂向載荷中心作用點(diǎn)偏移，一般將偏移距離m來(lái)衡量偏載效應(yīng)輕重，見圖3。從軸箱軸承的類型結(jié)構(gòu)來(lái)看，一般中低速采用雙列圓柱滾子軸承，當(dāng)雙列圓柱滾子軸承受到偏移的垂向載荷將不可避免產(chǎn)生偏載效應(yīng)，從而將導(dǎo)致雙列圓柱滾子軸承額外形成軸向載荷，雖然雙列圓柱滾子軸承可以通過(guò)擋邊承受軸向載荷，但由于滾動(dòng)體端面與擋邊的接觸屬于滑動(dòng)摩擦，將嚴(yán)重影響軸承的疲勞壽命。彈性復(fù)合圓柱滾子軸承具有較強(qiáng)的承載性能，且有理論研究表明該軸承能有效降低偏載效應(yīng)。

圖3 機(jī)車輪對(duì)軸箱力學(xué)模型

3 數(shù)值分析

3.1 有限元建模

彈性復(fù)合圓柱滾子軸承應(yīng)用于機(jī)車輪對(duì)軸箱是一種組合創(chuàng)新，為了科學(xué)研究其承載性能和降低偏載效應(yīng)等，由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承具有非線性等特點(diǎn)，本文借助有限元方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析。通過(guò)三維造型生成分析模型，并導(dǎo)入ABAQUS軟件形成有限元模型，如圖4 所示，整體模型包括車輪、車軸、簡(jiǎn)化的軸箱、軸承和鋼軌。

圖4 有限元模型

通過(guò)ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元建模后對(duì)其進(jìn)行材料特性定義，考慮彈性復(fù)合圓柱滾子軸承內(nèi)含高分子材料，分別定義各結(jié)構(gòu)的材料。根據(jù)機(jī)車輪對(duì)力學(xué)分析對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)重構(gòu)加載，主要采取垂向加載，橫向加載和縱向加載，在垂向載荷考慮載荷偏置。在模型中軸承外圈與軸承座、軸承內(nèi)圈與輪軸、輪軸與車輪以及車輪與鋼軌之間建立接觸對(duì)。

3.2 計(jì)算策略

1）通過(guò)有限元分析，在復(fù)合載荷下相應(yīng)尺寸的雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的滾動(dòng)體填充度設(shè)定為60%進(jìn)行分析（填充度K=d/D，D為滾動(dòng)體直徑，d為材料填充直徑）。

2）在不改變整體模型的情況下，對(duì)比計(jì)算雙列普通圓柱滾子軸承和雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在承受偏置載荷情況下的接觸應(yīng)力情況。

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)有限元分析計(jì)算，取軸承滾動(dòng)體與內(nèi)圈名義線接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力進(jìn)行分析，在偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下兩種雙列軸承接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力隨滾動(dòng)體沿軸向長(zhǎng)度的變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 雙列普通圓柱滾子軸承有限元計(jì)算結(jié)果

據(jù)圖5 分析，雙列普通圓柱滾子軸承在偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下滾動(dòng)體外表面接觸等效應(yīng)力明顯不對(duì)稱，由于載荷偏置的作用滾動(dòng)體一側(cè)的等效應(yīng)力較另一側(cè)增大了154.53MPa，軸承在承載過(guò)程中存在明顯的偏載效應(yīng)。通過(guò)分析兩側(cè)的等效應(yīng)力值，兩側(cè)等效應(yīng)力值明顯比中間部位大，表明滾動(dòng)體兩端存在“邊緣效應(yīng)”。

圖6 雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖6 分析，雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在相同偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下滾動(dòng)體外表面接觸等效應(yīng)力隨著滾動(dòng)體沿軸向長(zhǎng)度的變化呈現(xiàn)不規(guī)律變化，滾動(dòng)體邊緣部分先增大后減小，中間部分較小，隨著長(zhǎng)度的增加應(yīng)力值不斷增大，表現(xiàn)出一定的偏載效應(yīng)，但與普通圓柱滾子軸承相比其效應(yīng)明顯降低，由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性，滾動(dòng)體兩側(cè)的“邊緣效應(yīng)”也明顯降低。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下，雙列圓柱滾子軸承在服役過(guò)程中產(chǎn)生偏置效應(yīng)。普通雙列圓柱滾子軸承存在明顯的偏置效應(yīng)，滾動(dòng)體一側(cè)的等效應(yīng)力較另一側(cè)增大了154.53MPa，相同工況下雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在服役過(guò)程中偏載效應(yīng)明顯降低。

2）在相同工況下，雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承較普通圓柱滾子軸承在滾動(dòng)體兩側(cè)的“邊緣效應(yīng)”明顯降低。