楊凱文，劉高杰，，馮 振，

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

基于Romax的某地鐵圓錐滾子軸承應力分析

楊凱文1，劉高杰1，2，馮 振1，2

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

針對某地鐵軸承的運行工況, 基于Romax 對地鐵滾動軸承進行了應力分析。創(chuàng)建軸承三維模型，通過施加與實際受力等效的載荷,分析軸承滾子與套圈的接觸應力情況：接觸應力值范圍，有無應力集中現(xiàn)象，接觸區(qū)域是否良好。通過試驗驗證了其分析的可靠性。

地鐵軸承；三維建模；接觸區(qū)域；試驗

1 前言

地鐵交通作為高速發(fā)展的公共交通形式，因其具有高速、準時、安全、運輸能力大、節(jié)省空間、節(jié)約能源、有效利用土地、減少大氣污染等優(yōu)點，已成為我國部分城市交通運輸?shù)墓歉闪α浚⑹艿絿鴥?nèi)越來越多城市的青睞。

由于地鐵運行路況轉(zhuǎn)彎多，運行時會產(chǎn)生較大的軸向力，對軸承的沖擊力大，軸承負荷區(qū)套圈與滾子的接觸應力最大值直接影響軸承的使用性能和壽命。因此，本文通過運用Romax，在一定載荷下對軸承進行應力分析，分析結(jié)果可為軸承設計提供參考。

2 創(chuàng)建地鐵軸承三維模型

地鐵所用雙列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

軸承套圈、滾子材料均采用GCr15，滾道粗糙度為0.16μm，材料彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。

圖1 地鐵軸承結(jié)構(gòu)

表1 軸承主參數(shù)

地鐵軸承在有限空間內(nèi)需承受多方向合力，隨車輛運行過程承受著車輛載荷及沖擊，而且存在頻繁速度及加速度變化。針對上述情況，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主參數(shù)進行了CAD/CAE優(yōu)化設計，不但要滿足使用壽命，還要對滾子與滾道的接觸應力進行分析，以滿足軸承高可靠性要求。在Romax建立模型時，根據(jù)軸承的使用工況及受力特點，進行了滾子對數(shù)曲線優(yōu)化設計，精確計算了有利于降低滾子邊緣應力的最佳凸度，以提高軸承承載能力。首先，創(chuàng)建軸承和軸的三維模型，將軸承套圈連接方式設置為外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，游隙為0.1～0.45μm，脂潤滑；其次，將創(chuàng)建好的軸承和軸在齒輪箱里進行裝配；最后，在軸上施加徑向力86.5kN，軸向力16.3kN，旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)速為775r/min，如圖2 所示。

圖2 軸承組裝圖

3 接觸應力結(jié)果及分析

在軸承受到一定載荷的情況下，軸承內(nèi)、外圈圓周應力分布接近180°，有近一半的滾子受力，分布狀態(tài)較理想，如圖3 所示。由圖4 中可知，軸承內(nèi)、外圈最大接觸應力近似為1 199MPa、1 051MPa，都遠小于材料許用接觸應力4 000MPa，有足夠的承載能力，應力安全系數(shù)為3.3，滿足設計要求；不同角度的受力滾子，都是在滾子中心達到應力最大值，遠離滾子中心應力值逐漸減小，說明滾子與內(nèi)、外圈滾道在沿滾子素線方向的接觸應力分布對稱均勻，整個應力分布接近拋物線狀，基本符合Hertz接觸理論的應力分布規(guī)律，沒有應力集中現(xiàn)象。

從滾子與滾道的接觸狀態(tài)中看出，在外載荷作用下接觸區(qū)域為橢圓，接觸印記半寬在滾子中點位置達到最大，遠離滾子中心接觸印記半寬值逐漸減小，在滾子兩端接觸印記半寬為 0，說明內(nèi)、外圈與滾子接觸區(qū)域狀態(tài)良好，如圖5 所示。

圖3 圓周最大應力分布

圖4 內(nèi)、外圈接觸應力分布

圖5 內(nèi)、外圈與滾子接觸印記

表2 Romax計算壽命

軸承使用壽命見表2。軸承在模擬實際載荷工況下，計算出的壽命為23 985h，考慮軸承的材料與結(jié)構(gòu)設計、潤滑、材料的疲勞極限等因素對軸承壽命的影響，對軸承壽命進行修正計算，其壽命為27 934h。根據(jù)下面的公式將其單位轉(zhuǎn)化為km，取車輪直徑D為770mm。由公式(1) 可計算出L10。

式中：

L10h——以小時數(shù)表示的基本額定壽命，h；

L10——基本額定壽命，106r。

根據(jù)公式（2），計算出L10S

式中：

L10S——以千米數(shù)表示的基本額定壽命，km；

D ——車輪直徑，mm。

計算結(jié)果：

滿足客戶的使用壽命要求。

4 試驗驗證

在高速鐵路軸承耐久性能試驗臺進行了試驗，根據(jù)EN 12082標準做地鐵軸承的性能試驗，分析試驗后軸承的分解檢查結(jié)果，驗證軸承在接近于實際使用的載荷和速度條件下的運轉(zhuǎn)性能。拆解后的內(nèi)圈、滾子如圖6 所示。

經(jīng)測量，軸承整個運轉(zhuǎn)過程中最高有效溫度60.8℃，最高溫升40.8℃。套圈和滾子沒有出現(xiàn)鱗狀脫落、發(fā)熱變色、掉塊等缺陷，說明軸承運轉(zhuǎn)性能正常。滾子接觸印記在滾子中間偏大端，接觸區(qū)域良好。

圖6 試驗后外圈、內(nèi)圈、滾子的接觸印痕

5 結(jié)束語

（1）試驗結(jié)果可知，用Romax分析來驗證軸承設計的合理性是可行的。

（2）采用Romax模擬分析，可直觀地展示出軸承接觸應力的大小，接觸區(qū)域情況以及軸承使用壽命。

（3）Romax內(nèi)部可通過調(diào)整參數(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品的設計，縮短設計周期，大大提升新產(chǎn)品的研發(fā)效率。

[1] 張敬東. 起雪梅，黎輝.不同載荷工況下軸承的接觸特性分析[J].軸承，2015，(6)：4-6.

[2] 萬長深. 滾動軸承的分析方法[M].北京：機城工業(yè)出版社，1987.

[3] 賈群義 . 滾動軸承的設計原理與應用技術(shù)[M] . 西北工業(yè)大學出版社，1991.

[4] 司艷清. 利用Romax軟件對軸承進行設計驗證的方法.[J]. 哈爾濱軸承，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.

楊凱文（1986-)，男，工程師，碩士.

（編輯：鐘 媛）