煤炭車輛軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)研究

摘 要：為進一步深入探究煤炭車輛軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)，本研究通過實驗臺分析不同軸向荷載及徑向荷載下的軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)變化。試驗結(jié)果表明，徑向載荷與軸向載荷變化趨勢一致，軸承振動加速度隨著徑向載荷增加而提升，徑向載荷的軸承振動加速度數(shù)值均小于軸向載荷。且煤炭車輛的軸承最大載荷承載力為200kN，載荷較大會加快軸承損傷速度。隨著載荷增加，裂紋長度及寬度均呈遞增趨勢。當(dāng)軸向載荷及徑向載荷大于200kN時，疲勞損傷指標接近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載荷350kN。

關(guān)鍵詞：軸承；疲勞損傷；振動響應(yīng)；振動加速度

中圖分類號：TH 13" 文獻標志碼：A

在煤炭運輸行業(yè)中，車輛的可靠運行至關(guān)重要。煤炭車輛作為煤炭資源從礦區(qū)到消費地的重要運輸工具，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)的正常運轉(zhuǎn)。其中，軸承作為煤炭車輛關(guān)鍵部件之一，起到支撐車輛旋轉(zhuǎn)部件、減少摩擦和傳遞載荷的重要作用[1]。隨著煤炭運輸需求不斷增加，煤炭車輛的運行強度和負荷也在逐漸變大。在這種情況下，軸承面臨著更為嚴峻的工作環(huán)境和挑戰(zhàn)[2]。長時間高負荷運行容易導(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，不僅會影響車輛的運行性能，還可能導(dǎo)致嚴重的安全事故，給企業(yè)和社會帶來巨大的損失[3]。因此，對煤炭車輛軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)進行研究具有迫切的現(xiàn)實意義。基于此，本研究深入探究煤炭車輛軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)，通過實驗臺分析不同軸向荷載及徑向荷載下的軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)變化。

1 煤炭車輛軸承受力分析

煤炭車輛在運行過程中，由于貨物質(zhì)量以及車輛自身結(jié)構(gòu)等因素，軸承會承受較大的徑向載荷。例如，當(dāng)車輛滿載煤炭時，車輪對軌道的壓力通過軸傳遞到軸承，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隨著車輛的運行狀態(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。在煤炭車輛中，軸向載荷可能來源于車輛制動、牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的力的軸向分量以及車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。同時在煤炭運輸過程中，車輛不可避免地會遇到軌道不平順、接軌處沖擊等情況，這會導(dǎo)致軸承承受沖擊載荷。沖擊載荷具有瞬時性和高能量的特點，會使軸承內(nèi)部的應(yīng)力瞬間增加，加速軸承材料的疲勞損傷進程。例如，當(dāng)車輛通過軌道接頭時，由于軌道存在高度差，車輪會產(chǎn)生跳動，因此會使軸承受到強烈沖擊。

2 試驗方法

2.1 煤炭車輛及軸承參數(shù)

某品牌自卸式煤炭運輸車采用后翻式自卸車廂，車架為高強度合金鋼材質(zhì)，車輛尺寸為8.5m×4.5m×3.5m（長×寬×高），采用鋼板彈簧懸掛，鋼板彈簧懸掛具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、承載能力強等優(yōu)點，但減震效果相對較差，在惡劣路況下的行駛過程中，車輛的振動會傳遞到軸承上[4]，增加軸承的疲勞損傷風(fēng)險，煤炭車輛參數(shù)見表1。

滾動軸承為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。軸承的潤滑方式為油脂潤滑，且采用非接觸式橡膠密封，能有效防止灰塵和水分進入軸承內(nèi)部[5]。

2.2 實驗臺搭建

在煤炭車輛軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)研究中，構(gòu)建一個能夠精準模擬實際工況的實驗臺至關(guān)重要。通過實驗臺，可以在可控條件下對軸承施加各種載荷，監(jiān)測其振動特性的變化，深入了解軸承疲勞損傷的形成機制與發(fā)展規(guī)律，為煤炭車輛軸承的性能優(yōu)化、故障診斷以及壽命預(yù)測提供有力的試驗依據(jù)。

為評估煤炭車輛軸承疲勞損傷及振動響應(yīng)的有效性，利用自備實驗臺分析軸承疲勞損傷及振動變化。實驗臺采用高強度鋼材焊接而成，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實驗臺框架尺寸：長為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，轉(zhuǎn)速可在0r/min～3000r/min連續(xù)調(diào)節(jié)，通過彈性聯(lián)軸器與傳動軸連接電機[6]。

制作專門的軸承安裝座，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)過精密加工，保證軸承安裝后的徑向跳動和軸向跳動誤差在4%以內(nèi)。

將待測試的軸承安裝在實驗臺的軸承安裝座上，連接好驅(qū)動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測量設(shè)備。將電機轉(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輸車輛的荷載，從50kN開始，每次增加50kN，直到達到250kN，且在每個載荷下運行30min，記錄軸承的振動加速度[7]。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同載荷作用下，軸承振動加速度變化

由于裝載方式不當(dāng)或貨物堆積不均勻，因此煤炭運輸車輛一側(cè)的載荷較大，這種偏載情況會使軸承承受不均勻的軸向及徑向載荷，增加車輛軸承局部疲勞損傷的風(fēng)險。因此，本節(jié)進一步探究不同軸向和徑向載荷作用下，煤炭運輸車輛的軸承加速度變化，試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)軸向載荷為50kN～100kN時，軸承的振動加速度相對較小，平均振動加速度為6.15m/s2，在低載荷下，滾動體與滾道之間的接觸應(yīng)力較小，摩擦和變形也相對較小。隨著軸向載荷增加，軸承的振動逐漸增加，當(dāng)軸向載荷為200kN時，振動加速度高達13.2m/s2，且振動加速度增幅較大，比軸向載荷150kN時增加40.42%，因為載荷增加導(dǎo)致滾動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200kN時，軸承的振動會急劇增加。當(dāng)軸向載荷為250kN時，振動加速度為19.8m/s2，比軸向載荷200kN時增加50%。在高載荷下，滾動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，軸承的運行狀態(tài)變得不穩(wěn)定，會出現(xiàn)異常噪聲和強烈振動，嚴重影響軸承的使用壽命和設(shè)備的正常運行。

徑向載荷與軸向載荷變化趨勢一致，軸承振動加速度隨著徑向載荷增加而變大，最大軸承振動加速度為15.9m/s2，比最大軸向載荷時下降24.52%。但徑向載荷的軸承振動加速度數(shù)值均小于軸向載荷。煤炭車輛通常具有較高的承載能力，其車身質(zhì)量主要通過懸掛系統(tǒng)均勻分布到各個車輪上，使每個車輪上的徑向載荷相對分散，因此徑向載荷小于軸向載荷。該車輛的軸承最大載荷承載力為200kN，載荷較大會加快軸承損傷速度。

3.2 疲勞損傷程度變化

收集煤炭車輛軸承在不同疲勞損傷狀態(tài)下的振動數(shù)據(jù)，包括振動幅值（A）、振動頻率（F）、溫度（T）、轉(zhuǎn)速（R）等。通過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（越接近1，表明損失程度越大，越接近0，表明損失程度越?。?；A、F、T、R分別為振動幅值、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為隨機誤差項。將表2的數(shù)據(jù)帶入公式（1）中，通過多元回歸分析，進一步分析公式（1）中的特征參數(shù)。

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

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

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

模型表明，振動幅值越大、振動頻率越低，軸承的疲勞損傷程度越深。利用公式（2）進一步探究不同軸向載荷和徑向載荷作用下的煤炭車輛軸承損傷程度，試驗結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)軸向載荷及徑向載荷較小時（50kN～100kN），軸承所受應(yīng)力也相對較小，疲勞損傷指標D的數(shù)值為0.1～0.3，此時軸承中的滾動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值開始緩慢上升，當(dāng)軸向載荷及徑向載荷為150kN時，疲勞損傷指標D分別為0.46及0.33，比載荷50kN時分別增加360.0%及230.0%，滾動體與滾道之間的接觸應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致疲勞裂紋開始擴展，并且磨損速度加快。而當(dāng)軸向載荷及徑向載荷為200kN時，疲勞損傷指標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，疲勞損傷指標D接近1，表明損失程度較深。在高軸向載荷下，滾動體與滾道之間的接觸應(yīng)力非常大，可能導(dǎo)致嚴重的塑性變形、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載荷350kN。

3.3 裂紋長度及寬度變化

利用磁粉探傷儀進一步探究不同軸向載荷作用下，軸承內(nèi)部裂紋長度及寬度變化，研究軸承內(nèi)部損傷變化，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著載荷增加，裂紋長度及寬度均呈遞增趨勢。其中，裂紋長度增幅較大，裂紋寬度增幅較小。當(dāng)載荷為50kN～100kN時，裂紋長度及寬度變化趨勢較為平緩，最大裂紋長度為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)值均小于裂紋長度。當(dāng)載荷為200kN時，裂紋長度及寬度增幅變大，比載荷50kN時增加240.0%及90.0%。且當(dāng)載荷為250kN時，裂紋長度增至0.91μm。此時，潤滑油可能會從裂紋中泄漏，導(dǎo)致軸承潤滑不良，加速疲勞損傷。因此，軸向載荷越大，裂紋長度及寬度越大，軸承的損傷特性越大。

4 結(jié)論

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

當(dāng)軸向載荷及徑向載荷大于200kN時，疲勞損傷指標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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