基于机车轮对轴箱新型轴承的偏载效应分析∗

2020-11-02石金艳黄剑锋张克昌

计算机与数字工程 2020年9期

杨文石金艳黄剑锋张克昌

（湖南铁道职业技术学院轨道交通装备智能制造学院株洲 412001）

1 引言

机车轮对是机车车辆最重要的零部件之一，其结构的安全服役直接影响机车的正常运行。机车轮对包括车轴和车轮两部分构成，通过轴箱装配在转向架上，形成机车的行走功能部件。机车车厢的载荷通过转向架、轴箱、轴承、车轴、车轮自上而下传递到钢轨，圆柱滚子轴承在整个行走功能部件中起着传递和承担载荷的重要作用。

1）相关科学问题

圆柱滚子轴承内圈通过过盈配合装配在轴上，轮轴在复杂载荷作用下发生弯曲变形，轴承内圈相对于外圈产生非平行的倾角，在圆柱滚子轴承中，滚动体相对于内外圈的滚道将不再平行，沿中截面两侧的滚动体受到不对称的线载荷分布，从而形成偏载效应。当发生偏载效应时，载荷分布集中在滚动体一侧，使得该侧过早发生疲劳失效，由于滚动体相对于内外圈非平行分布，在运转过程中不能按照正常的轨迹运动，歪斜的滚动体将导致轴承保持架加速磨损，从而导致保持架的早期疲劳失效。在机车服役中，由于偏载效应导致圆柱滚子轴承产生疲劳破坏，是整个行走功能部件中失效概率最高的部件。

2）研究进展

（1）基础研究。目前，国内外学者对圆柱滚子轴承偏载效应进行了大量的理论研究。SCHAUDE［1］提出对圆柱滚子轴承采用切片法并通过数值分析计算求解偏载效应的应力分布情况。李云峰［2］针对联合载荷下的交叉圆柱滚子轴承的偏载效应接触应力分布进行了分析，提出游隙合理取值对滚子修型来改善接触状况。冯定［3］通过实验方法对动态模拟偏载效应下滚针轴承的破坏失效进行了分析。魏延刚［4］提出对称修形可以避免边缘效应，通过有限元方法分析表明非对称修形可以克服偏载效应。刘光明［5］利用有限元软件对滚动轴承模型进行计算，分析了变形抗力和张力对轴承载荷分布的影响，结果表明轴承偏载效应与变形抗力呈现规律性变化。毛月新［6］根据弹性接触理论，分析了偏载工况下的滚动轴承接触表面各因素之间的关系，并通过引入弹性趋近量变化函数建立平衡方程，对凸度进行合理的设计。

（2）应用研究。针对机车轮对轴箱轴承的偏载效应国内外学者进行了大量的应用研究。韩光旭［7］提出高速动车组的转向架轴箱轴承的选型分析，综合考虑当量动载荷的偏载效应提出合理的选型能有效保证轴承的使用寿命。杨春辉［8］对铁路货车滚动轴承偏载距离进行研究，结果表明随着偏载距离增大应力集中越明显。张瑞田［9］提出偏载恶化车辆服役动力学性能，降低了机车车辆的关键零部件的服役寿命，并通过建立轴承载荷和概论寿命的评估方法，揭示偏载效应引起的概率寿命呈现规律变化。刘浩炳［10］以货车轴承为例，建立货车轮对平衡力系，采用有限元方法计算了不同偏载距离对轴承承载能力的影响。

国内外对机车轮对轴箱轴承偏载的研究主要是集中在承载能力和寿命的研究，通过对轴箱轴承的结构设计来克服偏载效应的研究尚未见到相关报道。

弹性复合圆柱滚子轴承是一种新型滚子轴承［11～15］，见图1。其结构形式是在带深穴的空心圆柱滚动体中内嵌高分子材料，形成复合圆柱滚动体。国内学者姚齐水等对弹性复合圆柱滚子轴承进行了一系列基础研究，主要研究包括其结构设计的合理性及其力学性能和物理性能［16～19］。研究表明：弹性复合圆柱滚子轴承具有良好的力学性能和物理性能，特别是在接触力学和接触变形方面其优势明显［20～21］。

图1 弹性复合圆柱滚子轴承结构图

本文的目的是针对机车轮对轴箱轴承的承载应力分布和应力集中，通过建立机车轮对轴箱轴承力学模型，采用数值方法来分析偏载效应产生的机理及影响的因素，提出将新型圆柱滚子轴承应用于机车轮对轴箱，通过改进圆柱滚子轴承的结构设计来改善偏载效应的有效方法。

2 力学模型

2.1 机车轮对力学分析

作为传动支承核心部件，轮对结构在高速运行机车上得到广泛运用，在运行中承受着各种复杂且随机的载荷。机车轮对通过两侧轴箱轴承座以及悬挂系统与转向架连接，承受整车车体及转向架的载荷，包括作用于轴箱轴承座的垂向载荷P1、P2，横向载荷Y1、Y2和纵向载荷Q1、Q2，机车车轴受力状况如图2所示。

图2 机车车轴受力状况示意图

1）垂向载荷

式中，Fz为构架垂向载荷，N；mv为车辆的质量，kg；c1为旅客和行李的质量，kg；m+为转向架质量，kg；nb为转向架数；k为动荷系数，一般取1.4。

轮对轴颈载荷为

式中，nb为转向架数；ne为轮对数。

如果二系悬挂的横向刚度为K，横向止挡间隙为D，则二系悬挂所分得的载荷为

3）纵向载荷

在转向架构架上施加一个纵向牵引载荷，该载荷为

根据经验分析，kx一般取3。

2.2 轴箱轴承力学分析

机车车辆在运行过程中经常存在偏载的情况，实际上就是轴箱垂向载荷受载不均，垂向载荷中心作用点偏移，一般将偏移距离m来衡量偏载效应轻重，见图3。从轴箱轴承的类型结构来看，一般中低速采用双列圆柱滚子轴承，当双列圆柱滚子轴承受到偏移的垂向载荷将不可避免产生偏载效应，从而将导致双列圆柱滚子轴承额外形成轴向载荷，虽然双列圆柱滚子轴承可以通过挡边承受轴向载荷，但由于滚动体端面与挡边的接触属于滑动摩擦，将严重影响轴承的疲劳寿命。弹性复合圆柱滚子轴承具有较强的承载性能，且有理论研究表明该轴承能有效降低偏载效应。

图3 机车轮对轴箱力学模型

3 数值分析

3.1 有限元建模

弹性复合圆柱滚子轴承应用于机车轮对轴箱是一种组合创新，为了科学研究其承载性能和降低偏载效应等，由于弹性复合圆柱滚子轴承具有非线性等特点，本文借助有限元方法对其进行数值分析。通过三维造型生成分析模型，并导入ABAQUS软件形成有限元模型，如图4 所示，整体模型包括车轮、车轴、简化的轴箱、轴承和钢轨。

图4 有限元模型

通过ABAQUS 软件进行有限元建模后对其进行材料特性定义，考虑弹性复合圆柱滚子轴承内含高分子材料，分别定义各结构的材料。根据机车轮对力学分析对整个模型进行静态力学重构加载，主要采取垂向加载，横向加载和纵向加载，在垂向载荷考虑载荷偏置。在模型中轴承外圈与轴承座、轴承内圈与轮轴、轮轴与车轮以及车轮与钢轨之间建立接触对。

3.2 计算策略

1）通过有限元分析，在复合载荷下相应尺寸的双列弹性复合圆柱滚子轴承的滚动体填充度设定为60%进行分析（填充度K=d/D，D为滚动体直径，d为材料填充直径）。

2）在不改变整体模型的情况下，对比计算双列普通圆柱滚子轴承和双列弹性复合圆柱滚子轴承在承受偏置载荷情况下的接触应力情况。

3.3 结果分析

通过有限元分析计算，取轴承滚动体与内圈名义线接触区域的最大等效应力进行分析，在偏置的机车轮对轴箱复杂载荷下两种双列轴承接触区域的最大等效应力随滚动体沿轴向长度的变化情况如图5和图6所示。

图5 双列普通圆柱滚子轴承有限元计算结果

据图5 分析，双列普通圆柱滚子轴承在偏置的机车轮对轴箱复杂载荷下滚动体外表面接触等效应力明显不对称，由于载荷偏置的作用滚动体一侧的等效应力较另一侧增大了154.53MPa，轴承在承载过程中存在明显的偏载效应。通过分析两侧的等效应力值，两侧等效应力值明显比中间部位大，表明滚动体两端存在“边缘效应”。

图6 双列弹性复合圆柱滚子轴承有限元计算结果

根据图6 分析，双列弹性复合圆柱滚子轴承在相同偏置的机车轮对轴箱复杂载荷下滚动体外表面接触等效应力随着滚动体沿轴向长度的变化呈现不规律变化，滚动体边缘部分先增大后减小，中间部分较小，随着长度的增加应力值不断增大，表现出一定的偏载效应，但与普通圆柱滚子轴承相比其效应明显降低，由于弹性复合圆柱滚子轴承的结构特性，滚动体两侧的“边缘效应”也明显降低。