基于機車輪對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

機車輪對是機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車的正常運行。機車輪對包括車軸和車輪兩部分構(gòu)成，通過軸箱裝配在轉(zhuǎn)向架上，形成機車的行走功能部件。機車車廂的載荷通過轉(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)問題

圓柱滾子軸承內(nèi)圈通過過盈配合裝配在軸上，輪軸在復(fù)雜載荷作用下發(fā)生彎曲變形，軸承內(nèi)圈相對于外圈產(chǎn)生非平行的傾角，在圓柱滾子軸承中，滾動體相對于內(nèi)外圈的滾道將不再平行，沿中截面兩側(cè)的滾動體受到不對稱的線載荷分布，從而形成偏載效應(yīng)。當發(fā)生偏載效應(yīng)時，載荷分布集中在滾動體一側(cè)，使得該側(cè)過早發(fā)生疲勞失效，由于滾動體相對于內(nèi)外圈非平行分布，在運轉(zhuǎn)過程中不能按照正常的軌跡運動，歪斜的滾動體將導(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，是整個行走功能部件中失效概率最高的部件。

2）研究進展

（1）基礎(chǔ)研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者對圓柱滾子軸承偏載效應(yīng)進行了大量的理論研究。SCHAUDE［1］提出對圓柱滾子軸承采用切片法并通過數(shù)值分析計算求解偏載效應(yīng)的應(yīng)力分布情況。李云峰［2］針對聯(lián)合載荷下的交叉圓柱滾子軸承的偏載效應(yīng)接觸應(yīng)力分布進行了分析，提出游隙合理取值對滾子修型來改善接觸狀況。馮定［3］通過實驗方法對動態(tài)模擬偏載效應(yīng)下滾針軸承的破壞失效進行了分析。魏延剛［4］提出對稱修形可以避免邊緣效應(yīng)，通過有限元方法分析表明非對稱修形可以克服偏載效應(yīng)。劉光明［5］利用有限元軟件對滾動軸承模型進行計算，分析了變形抗力和張力對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軸承接觸表面各因素之間的關(guān)系，并通過引入彈性趨近量變化函數(shù)建立平衡方程，對凸度進行合理的設(shè)計。

（2）應(yīng)用研究。針對機車輪對軸箱軸承的偏載效應(yīng)國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的應(yīng)用研究。韓光旭［7］提出高速動車組的轉(zhuǎn)向架軸箱軸承的選型分析，綜合考慮當量動載荷的偏載效應(yīng)提出合理的選型能有效保證軸承的使用壽命。楊春輝［8］對鐵路貨車滾動軸承偏載距離進行研究，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力學(xué)性能，降低了機車車輛的關(guān)鍵零部件的服役壽命，并通過建立軸承載荷和概論壽命的評估方法，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，建立貨車輪對平衡力系，采用有限元方法計算了不同偏載距離對軸承承載能力的影響。

國內(nèi)外對機車輪對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，通過對軸箱軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計來克服偏載效應(yīng)的研究尚未見到相關(guān)報道。

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體中內(nèi)嵌高分子材料，形成復(fù)合圓柱滾動體。國內(nèi)學(xué)者姚齊水等對彈性復(fù)合圓柱滾子軸承進行了一系列基礎(chǔ)研究，主要研究包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及其力學(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

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

2 力學(xué)模型

2.1 機車輪對力學(xué)分析

作為傳動支承核心部件，輪對結(jié)構(gòu)在高速運行機車上得到廣泛運用，在運行中承受著各種復(fù)雜且隨機的載荷。機車輪對通過兩側(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，機車車軸受力狀況如圖2所示。

圖2 機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為動荷系數(shù)，一般取1.4。

輪對軸頸載荷為

式中，nb為轉(zhuǎn)向架數(shù)；ne為輪對數(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)架上施加一個縱向牽引載荷，該載荷為

根據(jù)經(jīng)驗分析，kx一般取3。

2.2 軸箱軸承力學(xué)分析

機車車輛在運行過程中經(jīng)常存在偏載的情況，實際上就是軸箱垂向載荷受載不均，垂向載荷中心作用點偏移，一般將偏移距離m來衡量偏載效應(yīng)輕重，見圖3。從軸箱軸承的類型結(jié)構(gòu)來看，一般中低速采用雙列圓柱滾子軸承，當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擋邊承受軸向載荷，但由于滾動體端面與擋邊的接觸屬于滑動摩擦，將嚴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 機車輪對軸箱力學(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)用于機車輪對軸箱是一種組合創(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，本文借助有限元方法對其進行數(shù)值分析。通過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、簡化的軸箱、軸承和鋼軌。

圖4 有限元模型

通過ABAQUS 軟件進行有限元建模后對其進行材料特性定義，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)機車輪對力學(xué)分析對整個模型進行靜態(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。

3.2 計算策略

1）通過有限元分析，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體填充度設(shè)定為60%進行分析（填充度K=d/D，D為滾動體直徑，d為材料填充直徑）。

2）在不改變整體模型的情況下，對比計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

通過有限元分析計算，取軸承滾動體與內(nèi)圈名義線接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力進行分析，在偏置的機車輪對軸箱復(fù)雜載荷下兩種雙列軸承接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力隨滾動體沿軸向長度的變化情況如圖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車輪對軸箱復(fù)雜載荷下滾動體外表面接觸等效應(yīng)力明顯不對稱，由于載荷偏置的作用滾動體一側(cè)的等效應(yīng)力較另一側(cè)增大了154.53MPa，軸承在承載過程中存在明顯的偏載效應(yīng)。通過分析兩側(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車輪對軸箱復(fù)雜載荷下滾動體外表面接觸等效應(yīng)力隨著滾動體沿軸向長度的變化呈現(xiàn)不規(guī)律變化，滾動體邊緣部分先增大后減小，中間部分較小，隨著長度的增加應(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，滾動體兩側(cè)的“邊緣效應(yīng)”也明顯降低。

4 結(jié)語

1）在偏置的機車輪對軸箱復(fù)雜載荷下，雙列圓柱滾子軸承在服役過程中產(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體兩側(cè)的“邊緣效應(yīng)”明顯降低。