轴承综合试验台强度有限元分析

徐聪　徐玲玲　崔雷　王明海

摘要：建立某新型高速铁路轴承综合试验台的参数化有限元模型，参照相关标准利用RADIOSS对其进行静强度和疲劳强度分析.该新型轴承试验台在静强度方面能够满足高速铁路轴承的试验要求；疲劳分析结果指出其前期设计中的薄弱位置.

关键词：高速铁路； 有限元； 轴承试验台； 静强度； 疲劳强度

中图分类号： U270.7； TH123.3

文献标志码： B

0引言

高速铁路的快速发展是我国经济快速发展的必然要求.在铁路车辆中作为行走支撑部件的轴承，每年都有成万套损坏、更换，这种情况在高速铁路中尤为常见.轴承的精度、寿命和可靠性等对高速车辆的行驶性能和安全性起重要作用.

为模拟高速铁路轴承在极限工况下的各项性能，目前，国内外正着手高速铁路轴承综合性能试验台的研制，其中，国外高速铁路试验台发展较快.例如，瑞典SKF研制的高速铁路轴承试验台，试验时速达到550 km，可以模拟转向架的动态载荷，并对轴承进行综合性能测试.[1]

1计算对象简介

计算所用的高速铁路轴承综合性能试验台能够满足350～500 km/h高速铁路轴承性能试验的需要，通过试验台能够模拟实际使用状况，进行不同工况条件下轴承的急加速试验和耐久性试验，并能记录轴承箱体温度和振动等多个重要技术参数，以分析轴承的摩擦磨损性、抗疲劳性以及润滑油脂特性等，为改进轴承设计制造水平和优化润滑技术提供有效依据.

该试验台由机械系统、液压伺服系统、电气系统、测控系统、润滑系统、监控系统和辅助设备等组成.

试验台机械系统主要由构架、主轴组成、径向加载装置、轴向加载装置、径向加载调节装置和辅助工装等组成.试验台的机械结构见图1，并约定坐标系方向，见图2.结构的主要材料：主轴为LZW（50#车轴钢），支撑轴承座和试验轴承座为ZG310570，轴向加载装置拉杆为45#钢，其余结构材料选用Q345B.材料参数见表1.

3有限元计算

前处理软件采用HyperMesh，计算软件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作为后处理软件进行应力云图的查看分析.质量单位为t，长度单位为mm，力单位为N，应力单位为MPa .

3.1网格划分

根据试验台的结构，构架采用壳单元模拟，单元大小约10 mm，厚度取设计值.轴向加载装置、支撑轴承座、试验轴承座及主轴采用实体单元模拟，单元大小约10 mm.整个模型单元共794 806个，节点838 916个.试验台有限元模型见图6，试验台中的径向加载装置、轴向加载装置及电机等部件采用质量单元模拟，通过耦合约束将质量单元与主结构连接在一起.主轴有限元模型见图7，螺栓连接处采用耦合约束进行简化，见图8.

3.3静强度计算结果分析

3.3.1试验台主结构的静强度计算结果

试验台的静强度工况1和2的应力统计结果见表9，工况1应力云图见图9，工况2应力云图见图10.可知，各工况的应力均低于材料的许用应力，应力大的位置主要分布在电机座与构架连接处及支撑轴承座与构架连接处，最大值为82.54 MPa.

4结束语

通过对高速铁路轴承试验台有限元仿真分析，从静强度应力结果可以看出，该设计满足材料的屈服强度，而且具有较高的安全裕量.从疲劳强度结果可以看出，绝大部分机构满足疲劳强度要求，但轴向加载装置加载座焊缝处利用因数达到1.1，该部位疲劳性能不能满足标准要求，建议对该部位结构进行改进.综上，有限元分析可以参与到工程设计中，并且可以为设计提出改进方案，不仅可以提高设计效率，且可以减少成本投入.

参考文献：

[1]晁代勇. 高速铁路轴承试验台设计研究[D]. 洛阳： 河南科技大学， 2011.

[2]赵洪伦. 轨道车辆结构与设计[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限单元法[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000机车车辆轴箱滚动轴承在轴承试验机上的热试验方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996车辆车轴设计与强度计算方法[S].

（编辑于杰）

摘要：建立某新型高速铁路轴承综合试验台的参数化有限元模型，参照相关标准利用RADIOSS对其进行静强度和疲劳强度分析.该新型轴承试验台在静强度方面能够满足高速铁路轴承的试验要求；疲劳分析结果指出其前期设计中的薄弱位置.

关键词：高速铁路； 有限元； 轴承试验台； 静强度； 疲劳强度

中图分类号： U270.7； TH123.3

文献标志码： B

0引言

高速铁路的快速发展是我国经济快速发展的必然要求.在铁路车辆中作为行走支撑部件的轴承，每年都有成万套损坏、更换，这种情况在高速铁路中尤为常见.轴承的精度、寿命和可靠性等对高速车辆的行驶性能和安全性起重要作用.

为模拟高速铁路轴承在极限工况下的各项性能，目前，国内外正着手高速铁路轴承综合性能试验台的研制，其中，国外高速铁路试验台发展较快.例如，瑞典SKF研制的高速铁路轴承试验台，试验时速达到550 km，可以模拟转向架的动态载荷，并对轴承进行综合性能测试.[1]

1计算对象简介

计算所用的高速铁路轴承综合性能试验台能够满足350～500 km/h高速铁路轴承性能试验的需要，通过试验台能够模拟实际使用状况，进行不同工况条件下轴承的急加速试验和耐久性试验，并能记录轴承箱体温度和振动等多个重要技术参数，以分析轴承的摩擦磨损性、抗疲劳性以及润滑油脂特性等，为改进轴承设计制造水平和优化润滑技术提供有效依据.

该试验台由机械系统、液压伺服系统、电气系统、测控系统、润滑系统、监控系统和辅助设备等组成.

试验台机械系统主要由构架、主轴组成、径向加载装置、轴向加载装置、径向加载调节装置和辅助工装等组成.试验台的机械结构见图1，并约定坐标系方向，见图2.结构的主要材料：主轴为LZW（50#车轴钢），支撑轴承座和试验轴承座为ZG310570，轴向加载装置拉杆为45#钢，其余结构材料选用Q345B.材料参数见表1.

3有限元计算

前处理软件采用HyperMesh，计算软件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作为后处理软件进行应力云图的查看分析.质量单位为t，长度单位为mm，力单位为N，应力单位为MPa .

3.1网格划分

根据试验台的结构，构架采用壳单元模拟，单元大小约10 mm，厚度取设计值.轴向加载装置、支撑轴承座、试验轴承座及主轴采用实体单元模拟，单元大小约10 mm.整个模型单元共794 806个，节点838 916个.试验台有限元模型见图6，试验台中的径向加载装置、轴向加载装置及电机等部件采用质量单元模拟，通过耦合约束将质量单元与主结构连接在一起.主轴有限元模型见图7，螺栓连接处采用耦合约束进行简化，见图8.

3.3静强度计算结果分析

3.3.1试验台主结构的静强度计算结果

试验台的静强度工况1和2的应力统计结果见表9，工况1应力云图见图9，工况2应力云图见图10.可知，各工况的应力均低于材料的许用应力，应力大的位置主要分布在电机座与构架连接处及支撑轴承座与构架连接处，最大值为82.54 MPa.

4结束语

通过对高速铁路轴承试验台有限元仿真分析，从静强度应力结果可以看出，该设计满足材料的屈服强度，而且具有较高的安全裕量.从疲劳强度结果可以看出，绝大部分机构满足疲劳强度要求，但轴向加载装置加载座焊缝处利用因数达到1.1，该部位疲劳性能不能满足标准要求，建议对该部位结构进行改进.综上，有限元分析可以参与到工程设计中，并且可以为设计提出改进方案，不仅可以提高设计效率，且可以减少成本投入.

参考文献：

[1]晁代勇. 高速铁路轴承试验台设计研究[D]. 洛阳： 河南科技大学， 2011.

[2]赵洪伦. 轨道车辆结构与设计[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限单元法[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000机车车辆轴箱滚动轴承在轴承试验机上的热试验方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996车辆车轴设计与强度计算方法[S].

（编辑于杰）

摘要：建立某新型高速铁路轴承综合试验台的参数化有限元模型，参照相关标准利用RADIOSS对其进行静强度和疲劳强度分析.该新型轴承试验台在静强度方面能够满足高速铁路轴承的试验要求；疲劳分析结果指出其前期设计中的薄弱位置.

关键词：高速铁路； 有限元； 轴承试验台； 静强度； 疲劳强度

中图分类号： U270.7； TH123.3

文献标志码： B

0引言

高速铁路的快速发展是我国经济快速发展的必然要求.在铁路车辆中作为行走支撑部件的轴承，每年都有成万套损坏、更换，这种情况在高速铁路中尤为常见.轴承的精度、寿命和可靠性等对高速车辆的行驶性能和安全性起重要作用.

为模拟高速铁路轴承在极限工况下的各项性能，目前，国内外正着手高速铁路轴承综合性能试验台的研制，其中，国外高速铁路试验台发展较快.例如，瑞典SKF研制的高速铁路轴承试验台，试验时速达到550 km，可以模拟转向架的动态载荷，并对轴承进行综合性能测试.[1]

1计算对象简介

计算所用的高速铁路轴承综合性能试验台能够满足350～500 km/h高速铁路轴承性能试验的需要，通过试验台能够模拟实际使用状况，进行不同工况条件下轴承的急加速试验和耐久性试验，并能记录轴承箱体温度和振动等多个重要技术参数，以分析轴承的摩擦磨损性、抗疲劳性以及润滑油脂特性等，为改进轴承设计制造水平和优化润滑技术提供有效依据.

该试验台由机械系统、液压伺服系统、电气系统、测控系统、润滑系统、监控系统和辅助设备等组成.

试验台机械系统主要由构架、主轴组成、径向加载装置、轴向加载装置、径向加载调节装置和辅助工装等组成.试验台的机械结构见图1，并约定坐标系方向，见图2.结构的主要材料：主轴为LZW（50#车轴钢），支撑轴承座和试验轴承座为ZG310570，轴向加载装置拉杆为45#钢，其余结构材料选用Q345B.材料参数见表1.

3有限元计算

前处理软件采用HyperMesh，计算软件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作为后处理软件进行应力云图的查看分析.质量单位为t，长度单位为mm，力单位为N，应力单位为MPa .

3.1网格划分

根据试验台的结构，构架采用壳单元模拟，单元大小约10 mm，厚度取设计值.轴向加载装置、支撑轴承座、试验轴承座及主轴采用实体单元模拟，单元大小约10 mm.整个模型单元共794 806个，节点838 916个.试验台有限元模型见图6，试验台中的径向加载装置、轴向加载装置及电机等部件采用质量单元模拟，通过耦合约束将质量单元与主结构连接在一起.主轴有限元模型见图7，螺栓连接处采用耦合约束进行简化，见图8.

3.3静强度计算结果分析

3.3.1试验台主结构的静强度计算结果

试验台的静强度工况1和2的应力统计结果见表9，工况1应力云图见图9，工况2应力云图见图10.可知，各工况的应力均低于材料的许用应力，应力大的位置主要分布在电机座与构架连接处及支撑轴承座与构架连接处，最大值为82.54 MPa.

4结束语

通过对高速铁路轴承试验台有限元仿真分析，从静强度应力结果可以看出，该设计满足材料的屈服强度，而且具有较高的安全裕量.从疲劳强度结果可以看出，绝大部分机构满足疲劳强度要求，但轴向加载装置加载座焊缝处利用因数达到1.1，该部位疲劳性能不能满足标准要求，建议对该部位结构进行改进.综上，有限元分析可以参与到工程设计中，并且可以为设计提出改进方案，不仅可以提高设计效率，且可以减少成本投入.

参考文献：

[1]晁代勇. 高速铁路轴承试验台设计研究[D]. 洛阳： 河南科技大学， 2011.

[2]赵洪伦. 轨道车辆结构与设计[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限单元法[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000机车车辆轴箱滚动轴承在轴承试验机上的热试验方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996车辆车轴设计与强度计算方法[S].

（编辑于杰）