基于Romax的某地铁圆锥滚子轴承应力分析

杨凯文，刘高杰，，冯 振，

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

基于Romax的某地铁圆锥滚子轴承应力分析

杨凯文1，刘高杰1，2，冯 振1，2

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

针对某地铁轴承的运行工况, 基于Romax 对地铁滚动轴承进行了应力分析。创建轴承三维模型，通过施加与实际受力等效的载荷,分析轴承滚子与套圈的接触应力情况：接触应力值范围，有无应力集中现象，接触区域是否良好。通过试验验证了其分析的可靠性。

地铁轴承；三维建模；接触区域；试验

1 前言

地铁交通作为高速发展的公共交通形式，因其具有高速、准时、安全、运输能力大、节省空间、节约能源、有效利用土地、减少大气污染等优点，已成为我国部分城市交通运输的骨干力量，并受到国内越来越多城市的青睐。

由于地铁运行路况转弯多，运行时会产生较大的轴向力，对轴承的冲击力大，轴承负荷区套圈与滚子的接触应力最大值直接影响轴承的使用性能和寿命。因此，本文通过运用Romax，在一定载荷下对轴承进行应力分析，分析结果可为轴承设计提供参考。

2 创建地铁轴承三维模型

地铁所用双列圆锥滚子轴承结构如图1所示，主要结构参数见表1。

轴承套圈、滚子材料均采用GCr15，滚道粗糙度为0.16μm，材料弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。

图1 地铁轴承结构

表1 轴承主参数

地铁轴承在有限空间内需承受多方向合力，随车辆运行过程承受着车辆载荷及冲击，而且存在频繁速度及加速度变化。针对上述情况，对内部结构及主参数进行了CAD/CAE优化设计，不但要满足使用寿命，还要对滚子与滚道的接触应力进行分析，以满足轴承高可靠性要求。在Romax建立模型时，根据轴承的使用工况及受力特点，进行了滚子对数曲线优化设计，精确计算了有利于降低滚子边缘应力的最佳凸度，以提高轴承承载能力。首先，创建轴承和轴的三维模型，将轴承套圈连接方式设置为外圈固定，内圈旋转，游隙为0.1～0.45μm，脂润滑；其次，将创建好的轴承和轴在齿轮箱里进行装配；最后，在轴上施加径向力86.5kN，轴向力16.3kN，旋转方向，转速为775r/min，如图2 所示。

图2 轴承组装图

3 接触应力结果及分析

在轴承受到一定载荷的情况下，轴承内、外圈圆周应力分布接近180°，有近一半的滚子受力，分布状态较理想，如图3 所示。由图4 中可知，轴承内、外圈最大接触应力近似为1 199MPa、1 051MPa，都远小于材料许用接触应力4 000MPa，有足够的承载能力，应力安全系数为3.3，满足设计要求；不同角度的受力滚子，都是在滚子中心达到应力最大值，远离滚子中心应力值逐渐减小，说明滚子与内、外圈滚道在沿滚子素线方向的接触应力分布对称均匀，整个应力分布接近抛物线状，基本符合Hertz接触理论的应力分布规律，没有应力集中现象。

从滚子与滚道的接触状态中看出，在外载荷作用下接触区域为椭圆，接触印记半宽在滚子中点位置达到最大，远离滚子中心接触印记半宽值逐渐减小，在滚子两端接触印记半宽为 0，说明内、外圈与滚子接触区域状态良好，如图5 所示。

图3 圆周最大应力分布

图4 内、外圈接触应力分布

图5 内、外圈与滚子接触印记

表2 Romax计算寿命

轴承使用寿命见表2。轴承在模拟实际载荷工况下，计算出的寿命为23 985h，考虑轴承的材料与结构设计、润滑、材料的疲劳极限等因素对轴承寿命的影响，对轴承寿命进行修正计算，其寿命为27 934h。根据下面的公式将其单位转化为km，取车轮直径D为770mm。由公式(1) 可计算出L10。

式中：

L10h——以小时数表示的基本额定寿命，h；

L10——基本额定寿命，106r。

根据公式（2），计算出L10S

式中：

L10S——以千米数表示的基本额定寿命，km；

D ——车轮直径，mm。

计算结果：

满足客户的使用寿命要求。

4 试验验证

在高速铁路轴承耐久性能试验台进行了试验，根据EN 12082标准做地铁轴承的性能试验，分析试验后轴承的分解检查结果，验证轴承在接近于实际使用的载荷和速度条件下的运转性能。拆解后的内圈、滚子如图6 所示。

经测量，轴承整个运转过程中最高有效温度60.8℃，最高温升40.8℃。套圈和滚子没有出现鳞状脱落、发热变色、掉块等缺陷，说明轴承运转性能正常。滚子接触印记在滚子中间偏大端，接触区域良好。

图6 试验后外圈、内圈、滚子的接触印痕

5 结束语

（1）试验结果可知，用Romax分析来验证轴承设计的合理性是可行的。

（2）采用Romax模拟分析，可直观地展示出轴承接触应力的大小，接触区域情况以及轴承使用寿命。

（3）Romax内部可通过调整参数来优化产品的设计，缩短设计周期，大大提升新产品的研发效率。

[1] 张敬东. 起雪梅，黎辉.不同载荷工况下轴承的接触特性分析[J].轴承，2015，(6)：4-6.

[2] 万长深. 滚动轴承的分析方法[M].北京：机城工业出版社，1987.

[3] 贾群义 . 滚动轴承的设计原理与应用技术[M] . 西北工业大学出版社，1991.

[4] 司艳清. 利用Romax软件对轴承进行设计验证的方法.[J]. 哈尔滨轴承，2013，34(2) ，89-90.

Stress analysis for a tapered roller bearing of metro on Romax

Yang Kaiwen1, Liu Gaojie1,2, Feng Zhen1,2
( 1.luoyang LYC Bearing Co. ,Ltd.,Luoyang 471039,China;2.State Key Laboratory of Aviation Precision Bearings,Luoyang 471039,China )

The stress of the tapered roller bearing of metro on Romax has been analyzed, according to the operating conditions of the metro bearing. The three-dimensional modeling has been built. Contact stress of the roller and the ring has been analyzed by applying the equivalent load to the actual stress, for example, contact stress range, whether there is stress concentration phenomenon,whether the contact area is good and so on. The reliability of the analysis is verif i ed by experiments.

metro bearing; three-dimensional modeling; contact area; experiment

TH133.33+2

A

1672-4852（2017）03-0007-03

2017-07-07.

杨凯文（1986-)，男，工程师，硕士.

（编辑：钟 媛）