鐵路貨車圓錐滾子軸承凸度計算和分析

陳建斌 徐俊杰 陳華

摘要：以352226×2-2RZ型雙列圓錐滾子軸承為對象，采用ANSYS有限元軟件分析圓錐滾子軸承不同的滾子母線形狀設(shè)計對滾子與滾道之間接觸應(yīng)力的大小和分布的影響進行分析，結(jié)果表明：對數(shù)母線形滾子能更比較有效的減小滾子邊界和軸承內(nèi)外圈接觸面之間的應(yīng)力集中情況。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車;圓錐滾子軸承;凸度;對數(shù)母線;有限元

1 引言

在軸承的發(fā)展初期，滾動軸承的滾子母線多采用直母線形，認(rèn)為直線之間的接觸會使得軸承在承受載荷時滾子與滾道之間的應(yīng)力會均勻分布。但是由于受載荷的影響，滾子和滾道接觸部分會發(fā)生細(xì)小的彈性形變，滾子會輕微的陷入滾道內(nèi)部，使?jié)L子邊緣產(chǎn)生接觸應(yīng)力，這就形成了“邊緣效應(yīng)”。邊緣效應(yīng)的出現(xiàn)加劇了滾子端部與滾道之間的磨損，使得軸承過早的發(fā)生疲勞破壞，縮短了軸承的壽命。圓錐滾子軸承在滾子表面輪廓設(shè)計即凸度形狀優(yōu)化能夠有效減小滾子與滾道之間的接觸應(yīng)力，緩解“邊緣效應(yīng)”對軸承性能的影響，延長軸承的使用壽命[1-6]。

因此，合理的凸度設(shè)計能夠有效的緩解甚至消除滾子端部的邊緣效應(yīng)，針對實際使用情況的四種滾子凸型設(shè)計：直線形凸度滾子、圓弧全凸形滾子、圓弧修正曲線形滾子、對數(shù)曲線形滾子，在一定載荷下通過ANSYS得出應(yīng)力分布云圖，并進行計算分析。

2 圓錐滾子軸承的有限元分析

2.1 軸承的主要參數(shù)

352226×2-2RZ型雙列圓錐滾子軸承主要技術(shù)參數(shù)如下表（表1）所示：

2.2 有限元分析模型建立

為了提高分析效率，減小工作量，且本設(shè)計主要研究軸承滾子與滾道之間的應(yīng)力分布情況，所以在進行有限元分析時選取軸承局部進行模擬分析。根據(jù)雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性可知軸承結(jié)構(gòu)形式在徑向和軸向都呈對稱分布。根據(jù)軸承受載計算分析可知，可選取在徑向載荷作用線最下部承受載荷最大的滾子作為分析對象。采用proe中建立的實體模型輸入的方法，先利用三維建模軟件proe進行實體建模，進而轉(zhuǎn)變格式輸入到ANSYS軟件當(dāng)中[7]。

2.3 網(wǎng)格劃分

在本次分析中采用SOLID186結(jié)構(gòu)實體單元

2.4 接觸對的建立

針對實際的分析模型，考慮內(nèi)外圈相對滾子的接觸情況，且滾子的表面為曲面，所以選取滾子的表面作為接觸面，以軸承內(nèi)軸圈的外表面和外軸圈的內(nèi)表面為目標(biāo)面，目標(biāo)單元選取TARG170，接觸單元選取CONTA174，分別建立接觸對，穿透容差去默認(rèn)值，接觸的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15[8]。

2.5 約束條件設(shè)定及載荷施加

選擇靜力分析，選擇應(yīng)變類型為大應(yīng)變靜態(tài)分析;在載荷施加之前需要根據(jù)軸承實際結(jié)構(gòu)模擬軸承在運行條件下所受的約束。由于模型的受載情況和邊界條件分析可知，在軸承的滾子和內(nèi)外圈的且割面上施加對稱約束，外圈施加固定約束。

為了更好的模擬軸承的受力情況，在內(nèi)圈表面施加面載荷。由軸承的設(shè)計參數(shù)可知，軸承的額定動載荷Cr=882KN，結(jié)合軸承適用于21T（205.8KN）軸重鐵路貨車車輛，由于建模是簡化了分析結(jié)構(gòu)，只取軸承的二分之一作為分析對象，且只是用徑向載荷作用

線的最下方滾子進行分析，根據(jù)公式可知：

根據(jù)分析模型選取特點，施加在模型內(nèi)表面的載荷=13.7MPa。

3 分析結(jié)果

鐵路圓錐滾子軸承在不同的滾子母線形狀設(shè)計對滾子與滾道之間接觸應(yīng)力下所得有限元分析結(jié)果如下圖一所示：

不同凸形滾子最大應(yīng)力對比，如下表2所示：

通過上表的分析可知：圓弧形滾子軸承內(nèi)部的最大接觸應(yīng)力為2151.46MPa，滾子所受的最大應(yīng)力為2151.54Mpa，對數(shù)曲線形滾子的最大接觸應(yīng)力為231.973Mpa，滾子的最大接觸應(yīng)力為259Mpa。由此可得圓弧形滾子母線設(shè)計相比于其他設(shè)計來說，應(yīng)力集中的情況得到很大改善。

由上圖對數(shù)曲線形母線滾子的設(shè)計可知，圓錐滾子軸承在受載時滾子和滾道之間的接觸關(guān)系是根據(jù)所受載荷的大小而定的，當(dāng)載荷較小時，滾子和滾道之間的接觸關(guān)系近似于點接觸，當(dāng)承受載荷較大時，滾子和滾道之間的接觸關(guān)系由于滾子和滾道的彈性變形變成了線接觸。同理當(dāng)軸承所承受的載荷為一定值時，滾子軸承凸度量的大小便決定了滾子和滾道之間的接觸關(guān)系，滾子凸度量設(shè)計較小時，滾子和滾道之間的接觸關(guān)系更容易改變?yōu)榫€接觸，但是凸度過小的話，滾子邊緣處又容易產(chǎn)生“邊緣效應(yīng)”，滾子凸度較大時，滾子和滾道之間接觸關(guān)系難以改變?yōu)榫€接觸的關(guān)系，滾子中部容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

4 結(jié)束語

通過對鐵路貨車用352226×2-RZ型雙列圓錐滾子軸承的建模并進行ANSYS分析可知：采用合理的凸形的滾子軸承可以降低軸承內(nèi)部滾子與軸承內(nèi)外圈接觸所引起的集中應(yīng)力，可有效緩解“邊緣效應(yīng)”的影響，其中對數(shù)母線型滾子軸承沿滾子母線方向上壓力分布更為均勻，并且具有更廣泛的載荷適應(yīng)性，是較為理想的凸型，但是對數(shù)曲線的加工工藝要求較高，這方面也是今后日益完善的一個方向。

參考文獻：

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