煤炭車(chē)輛軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)研究

摘 要：為進(jìn)一步深入探究煤炭車(chē)輛軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析不同軸向荷載及徑向荷載下的軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，徑向載荷與軸向載荷變化趨勢(shì)一致，軸承振動(dòng)加速度隨著徑向載荷增加而提升，徑向載荷的軸承振動(dòng)加速度數(shù)值均小于軸向載荷。且煤炭車(chē)輛的軸承最大載荷承載力為200kN，載荷較大會(huì)加快軸承損傷速度。隨著載荷增加，裂紋長(zhǎng)度及寬度均呈遞增趨勢(shì)。當(dāng)軸向載荷及徑向載荷大于200kN時(shí)，疲勞損傷指標(biāo)接近1，損失程度較大。因此，軸承的軸向載荷及徑向載荷極限值應(yīng)為200kN，而非軸承的最大額定動(dòng)載荷350kN。

關(guān)鍵詞：軸承；疲勞損傷；振動(dòng)響應(yīng)；振動(dòng)加速度

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 13" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在煤炭運(yùn)輸行業(yè)中，車(chē)輛的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。煤炭車(chē)輛作為煤炭資源從礦區(qū)到消費(fèi)地的重要運(yùn)輸工具，其性能和安全性直接關(guān)系到煤炭供應(yīng)鏈的穩(wěn)定以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，軸承作為煤炭車(chē)輛關(guān)鍵部件之一，起到支撐車(chē)輛旋轉(zhuǎn)部件、減少摩擦和傳遞載荷的重要作用[1]。隨著煤炭運(yùn)輸需求不斷增加，煤炭車(chē)輛的運(yùn)行強(qiáng)度和負(fù)荷也在逐漸變大。在這種情況下，軸承面臨著更為嚴(yán)峻的工作環(huán)境和挑戰(zhàn)[2]。長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行容易導(dǎo)致軸承出現(xiàn)疲勞損傷，縮短其使用壽命，降低可靠性。疲勞損傷可能由多種因素引起，例如持續(xù)的重載、沖擊載荷、不良的潤(rùn)滑條件以及復(fù)雜的工作環(huán)境等。一旦軸承發(fā)生疲勞損傷，不僅會(huì)影響車(chē)輛的運(yùn)行性能，還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)巨大的損失[3]。因此，對(duì)煤炭車(chē)輛軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，本研究深入探究煤炭車(chē)輛軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析不同軸向荷載及徑向荷載下的軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)變化。

1 煤炭車(chē)輛軸承受力分析

煤炭車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，由于貨物質(zhì)量以及車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)等因素，軸承會(huì)承受較大的徑向載荷。例如，當(dāng)車(chē)輛滿載煤炭時(shí)，車(chē)輪對(duì)軌道的壓力通過(guò)軸傳遞到軸承，使軸承承受垂直于軸線方向的徑向力。這種徑向載荷的大小和分布會(huì)隨著車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)（例如加速、減速、轉(zhuǎn)彎等）而發(fā)生變化。

除了徑向載荷外，軸承還可能承受一定的軸向載荷。在煤炭車(chē)輛中，軸向載荷可能來(lái)源于車(chē)輛制動(dòng)、牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的力的軸向分量以及車(chē)輪與軌道之間的摩擦力在軸向的作用等。軸向載荷與徑向載荷相互耦合，共同作用于軸承，使其受力情況更復(fù)雜。同時(shí)在煤炭運(yùn)輸過(guò)程中，車(chē)輛不可避免地會(huì)遇到軌道不平順、接軌處沖擊等情況，這會(huì)導(dǎo)致軸承承受沖擊載荷。沖擊載荷具有瞬時(shí)性和高能量的特點(diǎn)，會(huì)使軸承內(nèi)部的應(yīng)力瞬間增加，加速軸承材料的疲勞損傷進(jìn)程。例如，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)軌道接頭時(shí)，由于軌道存在高度差，車(chē)輪會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng)，因此會(huì)使軸承受到強(qiáng)烈沖擊。

2 試驗(yàn)方法

2.1 煤炭車(chē)輛及軸承參數(shù)

某品牌自卸式煤炭運(yùn)輸車(chē)采用后翻式自卸車(chē)廂，車(chē)架為高強(qiáng)度合金鋼材質(zhì)，車(chē)輛尺寸為8.5m×4.5m×3.5m（長(zhǎng)×寬×高），采用鋼板彈簧懸掛，鋼板彈簧懸掛具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但減震效果相對(duì)較差，在惡劣路況下的行駛過(guò)程中，車(chē)輛的振動(dòng)會(huì)傳遞到軸承上[4]，增加軸承的疲勞損傷風(fēng)險(xiǎn)，煤炭車(chē)輛參數(shù)見(jiàn)表1。

滾動(dòng)軸承為6209深溝球軸承。其內(nèi)徑為45mm，外徑為85mm，寬度為19mm?；绢~定動(dòng)載荷及靜載荷分別為350kN及300kN，極限轉(zhuǎn)速為2800r/min，軸承接觸角為12°，徑向游隙及軸向游隙分別為0.15mm及0.25mm。軸承的潤(rùn)滑方式為油脂潤(rùn)滑，且采用非接觸式橡膠密封，能有效防止灰塵和水分進(jìn)入軸承內(nèi)部[5]。

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

在煤炭車(chē)輛軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)研究中，構(gòu)建一個(gè)能夠精準(zhǔn)模擬實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)臺(tái)至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以在可控條件下對(duì)軸承施加各種載荷，監(jiān)測(cè)其振動(dòng)特性的變化，深入了解軸承疲勞損傷的形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律，為煤炭車(chē)輛軸承的性能優(yōu)化、故障診斷以及壽命預(yù)測(cè)提供有力的試驗(yàn)依據(jù)。

為評(píng)估煤炭車(chē)輛軸承疲勞損傷及振動(dòng)響應(yīng)的有效性，利用自備實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析軸承疲勞損傷及振動(dòng)變化。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用高強(qiáng)度鋼材焊接而成，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)臺(tái)框架尺寸：長(zhǎng)為2m、寬為1.5m、高為1.2m。使用厚度為20mm的鋼板，平面度在0.1mm以內(nèi)，臺(tái)面安裝有“T”形槽，方便固定各種設(shè)備。選用功率為15kW的變頻電機(jī)，轉(zhuǎn)速可在0r/min～3000r/min連續(xù)調(diào)節(jié)，通過(guò)彈性聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸連接電機(jī)[6]。

制作專(zhuān)門(mén)的軸承安裝座，安裝座外徑為200mm，內(nèi)徑為100mm，高度為150mm，保證軸承能夠準(zhǔn)確安裝并保持良好的同心度。安裝座采用鑄鐵材質(zhì)，經(jīng)過(guò)精密加工，保證軸承安裝后的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)誤差在4%以內(nèi)。

將待測(cè)試的軸承安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的軸承安裝座上，連接好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備。將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000r/min，逐漸增加液壓缸的壓力，分別施加軸向和徑向載荷模擬運(yùn)輸車(chē)輛的荷載，從50kN開(kāi)始，每次增加50kN，直到達(dá)到250kN，且在每個(gè)載荷下運(yùn)行30min，記錄軸承的振動(dòng)加速度[7]。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同載荷作用下，軸承振動(dòng)加速度變化

由于裝載方式不當(dāng)或貨物堆積不均勻，因此煤炭運(yùn)輸車(chē)輛一側(cè)的載荷較大，這種偏載情況會(huì)使軸承承受不均勻的軸向及徑向載荷，增加車(chē)輛軸承局部疲勞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本節(jié)進(jìn)一步探究不同軸向和徑向載荷作用下，煤炭運(yùn)輸車(chē)輛的軸承加速度變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)軸向載荷為50kN～100kN時(shí)，軸承的振動(dòng)加速度相對(duì)較小，平均振動(dòng)加速度為6.15m/s2，在低載荷下，滾動(dòng)體與滾道之間的接觸應(yīng)力較小，摩擦和變形也相對(duì)較小。隨著軸向載荷增加，軸承的振動(dòng)逐漸增加，當(dāng)軸向載荷為200kN時(shí)，振動(dòng)加速度高達(dá)13.2m/s2，且振動(dòng)加速度增幅較大，比軸向載荷150kN時(shí)增加40.42%，因?yàn)檩d荷增加導(dǎo)致滾動(dòng)體與滾道之間的接觸應(yīng)力增加，所以摩擦和變形也相應(yīng)增加。當(dāng)軸向載荷超過(guò)200kN時(shí)，軸承的振動(dòng)會(huì)急劇增加。當(dāng)軸向載荷為250kN時(shí)，振動(dòng)加速度為19.8m/s2，比軸向載荷200kN時(shí)增加50%。在高載荷下，滾動(dòng)體與滾道之間的接觸應(yīng)力非常大，導(dǎo)致局部變形、磨損甚至疲勞破壞，此時(shí)，軸承的運(yùn)行狀態(tài)變得不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)異常噪聲和強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重影響軸承的使用壽命和設(shè)備的正常運(yùn)行。

徑向載荷與軸向載荷變化趨勢(shì)一致，軸承振動(dòng)加速度隨著徑向載荷增加而變大，最大軸承振動(dòng)加速度為15.9m/s2，比最大軸向載荷時(shí)下降24.52%。但徑向載荷的軸承振動(dòng)加速度數(shù)值均小于軸向載荷。煤炭車(chē)輛通常具有較高的承載能力，其車(chē)身質(zhì)量主要通過(guò)懸掛系統(tǒng)均勻分布到各個(gè)車(chē)輪上，使每個(gè)車(chē)輪上的徑向載荷相對(duì)分散，因此徑向載荷小于軸向載荷。該車(chē)輛的軸承最大載荷承載力為200kN，載荷較大會(huì)加快軸承損傷速度。

3.2 疲勞損傷程度變化

收集煤炭車(chē)輛軸承在不同疲勞損傷狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)幅值（A）、振動(dòng)頻率（F）、溫度（T）、轉(zhuǎn)速（R）等。通過(guò)回歸分析得到疲勞損傷與載荷的關(guān)系式，數(shù)學(xué)模型的一般形式可以用公式（1）表示。

D=β0+β1A+β2F+β3T+β4R+ε " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：D為疲勞損傷指標(biāo)（越接近1，表明損失程度越大，越接近0，表明損失程度越?。籄、F、T、R分別為振動(dòng)幅值、頻率、溫度、轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)；β0、β1、β2、β3、β4為待確定的回歸系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差項(xiàng)。將表2的數(shù)據(jù)帶入公式（1）中，通過(guò)多元回歸分析，進(jìn)一步分析公式（1）中的特征參數(shù)。

經(jīng)過(guò)多元回歸分析得到β0=2.5，β1=0.05，β2=-0.1、β3=

β4=ε=0，則最終的數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式如公式（2）所示。

D=2.5+0.05A-0.1F" " " " " " " " " " （2）

模型表明，振動(dòng)幅值越大、振動(dòng)頻率越低，軸承的疲勞損傷程度越深。利用公式（2）進(jìn)一步探究不同軸向載荷和徑向載荷作用下的煤炭車(chē)輛軸承損傷程度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)軸向載荷及徑向載荷較小時(shí)（50kN～100kN），軸承所受應(yīng)力也相對(duì)較小，疲勞損傷指標(biāo)D的數(shù)值為0.1～0.3，此時(shí)軸承中的滾動(dòng)體與滾道之間的接觸較為平穩(wěn)，僅有輕微的彈性變形，疲勞裂紋萌生的概率很低。隨著軸向載荷逐漸增加，D值開(kāi)始緩慢上升，當(dāng)軸向載荷及徑向載荷為150kN時(shí)，疲勞損傷指標(biāo)D分別為0.46及0.33，比載荷50kN時(shí)分別增加360.0%及230.0%，滾動(dòng)體與滾道之間的接觸應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致疲勞裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，并且磨損速度加快。而當(dāng)軸向載荷及徑向載荷為200kN時(shí)，疲勞損傷指標(biāo)D僅為0.56及0.49，疲勞損傷程度雖較深，但仍在軸承的合理承受范圍內(nèi)。但當(dāng)軸向載荷及徑向載荷大于200kN時(shí)，疲勞損傷指標(biāo)D接近1，表明損失程度較深。在高軸向載荷下，滾動(dòng)體與滾道之間的接觸應(yīng)力非常大，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的塑性變形、壓潰和斷裂。因此，軸承的軸向載荷及徑向載荷極限值應(yīng)為200kN，而非軸承的最大額定動(dòng)載荷350kN。

3.3 裂紋長(zhǎng)度及寬度變化

利用磁粉探傷儀進(jìn)一步探究不同軸向載荷作用下，軸承內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度及寬度變化，研究軸承內(nèi)部損傷變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著載荷增加，裂紋長(zhǎng)度及寬度均呈遞增趨勢(shì)。其中，裂紋長(zhǎng)度增幅較大，裂紋寬度增幅較小。當(dāng)載荷為50kN～100kN時(shí)，裂紋長(zhǎng)度及寬度變化趨勢(shì)較為平緩，最大裂紋長(zhǎng)度為0.23μm，最大裂紋寬度為0.14μm。隨著軸向載荷增加，裂紋寬度變化數(shù)值為0.1μm～0.32μm，而裂紋寬度變化數(shù)值為0.2μm～0.91μm，裂紋寬度數(shù)值均小于裂紋長(zhǎng)度。當(dāng)載荷為200kN時(shí)，裂紋長(zhǎng)度及寬度增幅變大，比載荷50kN時(shí)增加240.0%及90.0%。且當(dāng)載荷為250kN時(shí)，裂紋長(zhǎng)度增至0.91μm。此時(shí)，潤(rùn)滑油可能會(huì)從裂紋中泄漏，導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良，加速疲勞損傷。因此，軸向載荷越大，裂紋長(zhǎng)度及寬度越大，軸承的損傷特性越大。

4 結(jié)論

隨著軸向載荷增加，軸承的振動(dòng)逐漸增加，當(dāng)軸向載荷為200kN時(shí)，振動(dòng)加速度高達(dá)13.2m/s2，且振動(dòng)加速度增幅較大。徑向載荷小于軸向載荷。因此，該車(chē)輛的軸承最大載荷承載力為200kN，載荷較大會(huì)加快軸承損傷速度。

當(dāng)軸向載荷及徑向載荷大于200kN時(shí)，疲勞損傷指標(biāo)D接近1，因此，軸承的軸向載荷及徑向載荷極限值應(yīng)為200kN。

隨著軸向載荷增加，裂紋寬度變化數(shù)值為0.1μm～0.32μm，而裂紋寬度變化數(shù)值為0.2μm～0.91μm，裂紋寬度數(shù)值均小于裂紋長(zhǎng)度。因此，應(yīng)控制合理控制軸向載荷，避免軸承發(fā)生較大損傷。

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