铁路货车圆锥滚子轴承凸度计算和分析

陈建斌 徐俊杰 陈华

摘要：以352226×2-2RZ型双列圆锥滚子轴承为对象，采用ANSYS有限元软件分析圆锥滚子轴承不同的滚子母线形状设计对滚子与滚道之间接触应力的大小和分布的影响进行分析，结果表明：对数母线形滚子能更比较有效的减小滚子边界和轴承内外圈接触面之间的应力集中情况。

关键词：铁路货车;圆锥滚子轴承;凸度;对数母线;有限元

1 引言

在轴承的发展初期，滚动轴承的滚子母线多采用直母线形，认为直线之间的接触会使得轴承在承受载荷时滚子与滚道之间的应力会均匀分布。但是由于受载荷的影响，滚子和滚道接触部分会发生细小的弹性形变，滚子会轻微的陷入滚道内部，使滚子边缘产生接触应力，这就形成了“边缘效应”。边缘效应的出现加剧了滚子端部与滚道之间的磨损，使得轴承过早的发生疲劳破坏，缩短了轴承的寿命。圆锥滚子轴承在滚子表面轮廓设计即凸度形状优化能够有效减小滚子与滚道之间的接触应力，缓解“边缘效应”对轴承性能的影响，延长轴承的使用寿命[1-6]。

因此，合理的凸度设计能够有效的缓解甚至消除滚子端部的边缘效应，针对实际使用情况的四种滚子凸型设计：直线形凸度滚子、圆弧全凸形滚子、圆弧修正曲线形滚子、对数曲线形滚子，在一定载荷下通过ANSYS得出应力分布云图，并进行计算分析。

2 圆锥滚子轴承的有限元分析

2.1 轴承的主要参数

352226×2-2RZ型双列圆锥滚子轴承主要技术参数如下表（表1）所示：

2.2 有限元分析模型建立

为了提高分析效率，减小工作量，且本设计主要研究轴承滚子与滚道之间的应力分布情况，所以在进行有限元分析时选取轴承局部进行模拟分析。根据双列圆锥滚子轴承的结构特性可知轴承结构形式在径向和轴向都呈对称分布。根据轴承受载计算分析可知，可选取在径向载荷作用线最下部承受载荷最大的滚子作为分析对象。采用proe中建立的实体模型输入的方法，先利用三维建模软件proe进行实体建模，进而转变格式输入到ANSYS软件当中[7]。

2.3 网格划分

在本次分析中采用SOLID186结构实体单元

2.4 接触对的建立

针对实际的分析模型，考虑内外圈相对滚子的接触情况，且滚子的表面为曲面，所以选取滚子的表面作为接触面，以轴承内轴圈的外表面和外轴圈的内表面为目标面，目标单元选取TARG170，接触单元选取CONTA174，分别建立接触对，穿透容差去默认值，接触的摩擦系数设定为0.15[8]。

2.5 约束条件设定及载荷施加

选择静力分析，选择应变类型为大应变静态分析;在载荷施加之前需要根据轴承实际结构模拟轴承在运行条件下所受的约束。由于模型的受载情况和边界条件分析可知，在轴承的滚子和内外圈的且割面上施加对称约束，外圈施加固定约束。

为了更好的模拟轴承的受力情况，在内圈表面施加面载荷。由轴承的设计参数可知，轴承的额定动载荷Cr=882KN，结合轴承适用于21T（205.8KN）轴重铁路货车车辆，由于建模是简化了分析结构，只取轴承的二分之一作为分析对象，且只是用径向载荷作用

线的最下方滚子进行分析，根据公式可知：

根据分析模型选取特点，施加在模型内表面的载荷=13.7MPa。

3 分析结果

铁路圆锥滚子轴承在不同的滚子母线形状设计对滚子与滚道之间接触应力下所得有限元分析结果如下图一所示：

不同凸形滚子最大应力对比，如下表2所示：

通过上表的分析可知：圆弧形滚子轴承内部的最大接触应力为2151.46MPa，滚子所受的最大应力为2151.54Mpa，对数曲线形滚子的最大接触应力为231.973Mpa，滚子的最大接触应力为259Mpa。由此可得圆弧形滚子母线设计相比于其他设计来说，应力集中的情况得到很大改善。

由上图对数曲线形母线滚子的设计可知，圆锥滚子轴承在受载时滚子和滚道之间的接触关系是根据所受载荷的大小而定的，当载荷较小时，滚子和滚道之间的接触关系近似于点接触，当承受载荷较大时，滚子和滚道之间的接触关系由于滚子和滚道的弹性变形变成了线接触。同理当轴承所承受的载荷为一定值时，滚子轴承凸度量的大小便决定了滚子和滚道之间的接触关系，滚子凸度量设计较小时，滚子和滚道之间的接触关系更容易改变为线接触，但是凸度过小的話，滚子边缘处又容易产生“边缘效应”，滚子凸度较大时，滚子和滚道之间接触关系难以改变为线接触的关系，滚子中部容易产生较大的应力集中。

4 结束语

通过对铁路货车用352226×2-RZ型双列圆锥滚子轴承的建模并进行ANSYS分析可知：采用合理的凸形的滚子轴承可以降低轴承内部滚子与轴承内外圈接触所引起的集中应力，可有效缓解“边缘效应”的影响，其中对数母线型滚子轴承沿滚子母线方向上压力分布更为均匀，并且具有更广泛的载荷适应性，是较为理想的凸型，但是对数曲线的加工工艺要求较高，这方面也是今后日益完善的一个方向。

参考文献：

[1]朱龙泉.铁路轴承的凸度设计及热应力分析[D].武汉：武汉科技大学，2012.

[2]张乐宜，薛玉君，牛青波，叶军.高速铁路客车圆锥滚子轴承滚子的凸度分析[D].洛阳：河南科技大学，2014.

[3]刘志欣.高速铁路轴承的载荷分布计算机疲劳寿命分析[D].西安：西安理工大学，2014.

[4]张俊杰.圆锥滚子轴承滚子与滚道接触应力分析及优化[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[5]马文博.基于接触分析的凸度滚子轴承力学特性研究和结构优化[D].南京：南京航空航大学，2009.

[6]陈家庆，张沛，许林林.滚动轴承滚子凸度设计的理论研究进展[J].北京：北京石油化工学院学报，2001.

[7]陈志平，施虎立. 三维实体建模与有限元分析的关系[J].北京：中国电子学会现代设计与先进制造技术学术会议，2011.

[8]罗继伟，张俊杰.圆锥滚子轴承接触应力数值求解[J].轴承，2004，（9）：1-3.