高速动车组列车转向架轴承故障分析

丁发军，王正方，肖龙波，于文龙，于文建

（1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049；2.中国铁路济南局集团有限公司青岛动车段，山东 青岛 250000；3.淄博职业学院 智能制造学院，山东 淄博 255314）

0 引言

高铁技术作为中国尖端技术在国内外享誉盛名，与此同时，高铁的故障诊断技术和水平对于高铁的可持续发展具有重要的意义[1]。经过多年高铁运行数据积累和整车故障规律分析，针对同种车型的系统故障主要发生在牵引、制动、转向架等结构复杂系统，故障规律分析作为动车组的可靠性分析技术在故障诊断和分析方面发挥着重要的作用。本文对动车组各系统进行故障可靠性分析，并将故障模式按照影响等级及发生概率排序反馈至设计部门进行协同设计。与此同时，经过故障可靠性分析发现，动车组转向架轴承在故障诊断反馈中问题频发，加之保持架作为转向架轴承的关键部件、载荷的工作环境复杂恶劣，其性能对列车的运行安全有着直接影响[2]。本研究选取某型动车组转向架轴承为研究对象，构建模型分析轴承受载的变化过程，旨在为结构和稳定性和故障诊断提供可参考路径。

1 动车组系统故障诊断

以某动车组100 万km 早期故障进行数据分析，对不同功能系统的故障规律进行分析。阶段故障主要集中在高压牵引系统、转向架、列控车载设备、车体及车端连接以及供风及制动系统，占了所有故障的86%，均呈现出显著的早期故障规律特征。由此也可看出，提高转向架系统的可靠性对于保障动车组良好秩序运行非常重要[3]。

2 基于ANSYS 的转向架轴承载荷仿真

本文利用CATIA 以及ANSYS 软件，通过构建模型、约束条件、施加载荷，分析轴承在运行过程中应力发生的变化，旨在从应力变化、承载角度分析主体的故障发生原因。

2.1 零部件模型构建

基于CATIA 三维建模软件对轴承进行建模仿真，绘制对应的零件图并再CATIA 装配环境下完成零件的装配和干涉检测，具体轴承模型如图1 所示。

图1 轴承模型三维建模

2.2 轴承有限元模型

将轴承模型三维建模按照CATIA 和ANSYS 协议接口要求导入ANSYS 仿真软件中，对模型中的部件单独划分网格。内圈、外圈、隔圈以及滚子的单元类型选为显式八节点线性六面体减缩积分单元，保持架选择自由网格。建立轴承有限元模型如图2 所示。

图2 轴承有限元模型

2.3 接触和载荷边界条件设置

根据轴承实际允许过程状态，轴承分别受到法向和切向方向的接触，其中再法向接触上为硬接触；切向接触为库仑摩擦。因此静摩擦因数定为0.1、动摩擦因数定为0.05、衰减系数取0.01。

分别选取轴承内、外圈的外表面节点，用以施加转速、载荷以及自由度约束条件。外圈节点分别受到X、Y和Z方向的转动自由度。内圈节点分别受到X、Y和Z方向的转动自由度和X、Y方向的转动自由度。对轴承外圈参考点施加载荷，内圈参考点施加转速，分析不同工况下轴承的受载情况。为提高模型计算和仿真数据的可靠性和真实性，ANSYS 采用双精度对轴承仿真过程进行求解[4]。

2.4 仿真结果分析

2.4.1 不同径向载荷下保持架受载情况

根据文献数据[5]表明，轴承外部冲击载荷所受的径向载荷在45 kN ～ 65 kN 之间。本文为研究方面分别选取不同载荷45 kN、55 kN、65 kN 下在特定转速2000 r/min 的受载情况。从图3 中可以显著看出，滚子和保持架之间的运动具有间断性，各个节点的应力变化过程属于非线性变化；滚子与保持架接触运动并发生滚动运动，此时两个零件之间的作用增强，节点应力也发生改变处于增大趋势；当滚子和保持架处于非接触状态或者轴承整体处于减速状态，此时对应的节点应力数据也发生降低。图3 中显示随着径向载荷的不断增大，节点应力值均发生正向改变。主要原因是随着载荷的增大，滚子与内、外圈之间的接触范围更广，促使滚子在保持架的动力增强，而由于仅仅是径向载荷的增强，因此从节点均值变化浮动不大。

图3 保持架各个节点数据的动态应力平均值变化过程

2.4.2 不同转速下保持架受载情况

本文为研究方面分别选取不同转速2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min 下在特定径向载荷45 kN 的受载情况。如图4 所示不同转速2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min 下在特定径向载荷45 kN 的受载情况，当随着轴承转速增加，保持架节点应力值均发生正向变化。主要原因是在于随着转速的提升，滚子的各个方向的载荷均发生增大，滚子与保持架的接触范围变大，接触时间变小，此时滚子和保持架之间的碰撞频率和作用力均发生增大。通过图4 中也可以看出，随着轴承转速的增大，保持架出现了一定范围的激振，造成整体运行可靠性降低，促使轴承转速频繁承受载荷，这也是轴承故障发生的根本原因之一。

图4 保持架各个节点数据的动态应力变化过程

3 转向架轴承故障分析

结合转向架常见故障和轴承仿真受载情况，分析动车组实际运行中轴承故障的状态表明，轴承的外圈、内圈、滚子和保持架最容易发生受力过载，应力分布不均，应力集中极易发生在轴承外圈。通过有限元分析保持架应力集中区域如图5 所示。

图5 保持架应力集中区域

根据赫兹理论，在滚动接触载荷作用下，次表面产生剪应力，当次表面存在缺陷（一般为非金属夹杂物）时，在剪应力作用下缺陷部位出现显微裂纹，逐步扩展为剥离，随后导致小径端产生延性断裂。

4 结语

本文结合自身工作经验利用CATIA、ANSYS 分别建立了轴箱轴承三维几何模型和动力学模型，对轴承模型进行动力学仿真，探究了径向载荷、转速下动车组转向架轴承运转时保持架的应力分布及危险部位以及故障发生原因。结果显示，保持架应力较大的部位大都分布在保持架过梁以及侧梁与过梁的连接处，侧梁与过梁的连接处常出现应力最大值，此处定为保持架的危险部位；径向载荷的变化对保持架应力的影响不大，随着径向载荷的增加，保持架应力略有增加；随着转速的提升，滚子的各个方向的载荷均发生增大，滚子与保持架的接触范围变大，接触时间变小，此时滚子和保持架之间的碰撞频率和作用力均发生增大。通过图中也可以看出，随着轴承转速的增大，保持架出现了一定范围的激振，造成整体运行可靠性降低，促使轴承转速频繁承受载荷，发生应力集中现象，造成材料断面损伤、失效。