楊 文 石金艷 黃劍鋒 張克昌
(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通裝備智能制造學(xué)院 株洲 412001)
機(jī)車輪對(duì)是機(jī)車車輛最重要的零部件之一,其結(jié)構(gòu)的安全服役直接影響機(jī)車的正常運(yùn)行。機(jī)車輪對(duì)包括車軸和車輪兩部分構(gòu)成,通過軸箱裝配在轉(zhuǎn)向架上,形成機(jī)車的行走功能部件。機(jī)車車廂的載荷通過轉(zhuǎn)向架、軸箱、軸承、車軸、車輪自上而下傳遞到鋼軌,圓柱滾子軸承在整個(gè)行走功能部件中起著傳遞和承擔(dān)載荷的重要作用。
1)相關(guān)科學(xué)問題
圓柱滾子軸承內(nèi)圈通過過盈配合裝配在軸上,輪軸在復(fù)雜載荷作用下發(fā)生彎曲變形,軸承內(nèi)圈相對(duì)于外圈產(chǎn)生非平行的傾角,在圓柱滾子軸承中,滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)外圈的滾道將不再平行,沿中截面兩側(cè)的滾動(dòng)體受到不對(duì)稱的線載荷分布,從而形成偏載效應(yīng)。當(dāng)發(fā)生偏載效應(yīng)時(shí),載荷分布集中在滾動(dòng)體一側(cè),使得該側(cè)過早發(fā)生疲勞失效,由于滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)外圈非平行分布,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能按照正常的軌跡運(yùn)動(dòng),歪斜的滾動(dòng)體將導(dǎo)致軸承保持架加速磨損,從而導(dǎo)致保持架的早期疲勞失效。在機(jī)車服役中,由于偏載效應(yīng)導(dǎo)致圓柱滾子軸承產(chǎn)生疲勞破壞,是整個(gè)行走功能部件中失效概率最高的部件。
2)研究進(jìn)展
(1)基礎(chǔ)研究。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓柱滾子軸承偏載效應(yīng)進(jìn)行了大量的理論研究。SCHAUDE[1]提出對(duì)圓柱滾子軸承采用切片法并通過數(shù)值分析計(jì)算求解偏載效應(yīng)的應(yīng)力分布情況。李云峰[2]針對(duì)聯(lián)合載荷下的交叉圓柱滾子軸承的偏載效應(yīng)接觸應(yīng)力分布進(jìn)行了分析,提出游隙合理取值對(duì)滾子修型來改善接觸狀況。馮定[3]通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)態(tài)模擬偏載效應(yīng)下滾針軸承的破壞失效進(jìn)行了分析。魏延剛[4]提出對(duì)稱修形可以避免邊緣效應(yīng),通過有限元方法分析表明非對(duì)稱修形可以克服偏載效應(yīng)。劉光明[5]利用有限元軟件對(duì)滾動(dòng)軸承模型進(jìn)行計(jì)算,分析了變形抗力和張力對(duì)軸承載荷分布的影響,結(jié)果表明軸承偏載效應(yīng)與變形抗力呈現(xiàn)規(guī)律性變化。毛月新[6]根據(jù)彈性接觸理論,分析了偏載工況下的滾動(dòng)軸承接觸表面各因素之間的關(guān)系,并通過引入彈性趨近量變化函數(shù)建立平衡方程,對(duì)凸度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。
(2)應(yīng)用研究。針對(duì)機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承的偏載效應(yīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究。韓光旭[7]提出高速動(dòng)車組的轉(zhuǎn)向架軸箱軸承的選型分析,綜合考慮當(dāng)量動(dòng)載荷的偏載效應(yīng)提出合理的選型能有效保證軸承的使用壽命。楊春輝[8]對(duì)鐵路貨車滾動(dòng)軸承偏載距離進(jìn)行研究,結(jié)果表明隨著偏載距離增大應(yīng)力集中越明顯。張瑞田[9]提出偏載惡化車輛服役動(dòng)力學(xué)性能,降低了機(jī)車車輛的關(guān)鍵零部件的服役壽命,并通過建立軸承載荷和概論壽命的評(píng)估方法,揭示偏載效應(yīng)引起的概率壽命呈現(xiàn)規(guī)律變化。劉浩炳[10]以貨車軸承為例,建立貨車輪對(duì)平衡力系,采用有限元方法計(jì)算了不同偏載距離對(duì)軸承承載能力的影響。
國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承偏載的研究主要是集中在承載能力和壽命的研究,通過對(duì)軸箱軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來克服偏載效應(yīng)的研究尚未見到相關(guān)報(bào)道。
彈性復(fù)合圓柱滾子軸承是一種新型滾子軸承[11~15],見圖1。其結(jié)構(gòu)形式是在帶深穴的空心圓柱滾動(dòng)體中內(nèi)嵌高分子材料,形成復(fù)合圓柱滾動(dòng)體。國(guó)內(nèi)學(xué)者姚齊水等對(duì)彈性復(fù)合圓柱滾子軸承進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)研究,主要研究包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及其力學(xué)性能和物理性能[16~19]。研究表明:彈性復(fù)合圓柱滾子軸承具有良好的力學(xué)性能和物理性能,特別是在接觸力學(xué)和接觸變形方面其優(yōu)勢(shì)明顯[20~21]。
圖1 彈性復(fù)合圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)圖
本文的目的是針對(duì)機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承的承載應(yīng)力分布和應(yīng)力集中,通過建立機(jī)車輪對(duì)軸箱軸承力學(xué)模型,采用數(shù)值方法來分析偏載效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理及影響的因素,提出將新型圓柱滾子軸承應(yīng)用于機(jī)車輪對(duì)軸箱,通過改進(jìn)圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善偏載效應(yīng)的有效方法。
作為傳動(dòng)支承核心部件,輪對(duì)結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行機(jī)車上得到廣泛運(yùn)用,在運(yùn)行中承受著各種復(fù)雜且隨機(jī)的載荷。機(jī)車輪對(duì)通過兩側(cè)軸箱軸承座以及懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架連接,承受整車車體及轉(zhuǎn)向架的載荷,包括作用于軸箱軸承座的垂向載荷P1、P2,橫向載荷Y1、Y2和縱向載荷Q1、Q2,機(jī)車車軸受力狀況如圖2所示。
圖2 機(jī)車車軸受力狀況示意圖
1)垂向載荷
式中,F(xiàn)z為構(gòu)架垂向載荷,N;mv為車輛的質(zhì)量,kg;c1為旅客和行李的質(zhì)量,kg;m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,kg;nb為轉(zhuǎn)向架數(shù);k為動(dòng)荷系數(shù),一般取1.4。
輪對(duì)軸頸載荷為
式中,nb為轉(zhuǎn)向架數(shù);ne為輪對(duì)數(shù)。
如果二系懸掛的橫向剛度為K,橫向止擋間隙為D,則二系懸掛所分得的載荷為
3)縱向載荷
在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上施加一個(gè)縱向牽引載荷,該載荷為
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析,kx一般取3。
機(jī)車車輛在運(yùn)行過程中經(jīng)常存在偏載的情況,實(shí)際上就是軸箱垂向載荷受載不均,垂向載荷中心作用點(diǎn)偏移,一般將偏移距離m來衡量偏載效應(yīng)輕重,見圖3。從軸箱軸承的類型結(jié)構(gòu)來看,一般中低速采用雙列圓柱滾子軸承,當(dāng)雙列圓柱滾子軸承受到偏移的垂向載荷將不可避免產(chǎn)生偏載效應(yīng),從而將導(dǎo)致雙列圓柱滾子軸承額外形成軸向載荷,雖然雙列圓柱滾子軸承可以通過擋邊承受軸向載荷,但由于滾動(dòng)體端面與擋邊的接觸屬于滑動(dòng)摩擦,將嚴(yán)重影響軸承的疲勞壽命。彈性復(fù)合圓柱滾子軸承具有較強(qiáng)的承載性能,且有理論研究表明該軸承能有效降低偏載效應(yīng)。
圖3 機(jī)車輪對(duì)軸箱力學(xué)模型
彈性復(fù)合圓柱滾子軸承應(yīng)用于機(jī)車輪對(duì)軸箱是一種組合創(chuàng)新,為了科學(xué)研究其承載性能和降低偏載效應(yīng)等,由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承具有非線性等特點(diǎn),本文借助有限元方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析。通過三維造型生成分析模型,并導(dǎo)入ABAQUS軟件形成有限元模型,如圖4 所示,整體模型包括車輪、車軸、簡(jiǎn)化的軸箱、軸承和鋼軌。
圖4 有限元模型
通過ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元建模后對(duì)其進(jìn)行材料特性定義,考慮彈性復(fù)合圓柱滾子軸承內(nèi)含高分子材料,分別定義各結(jié)構(gòu)的材料。根據(jù)機(jī)車輪對(duì)力學(xué)分析對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)重構(gòu)加載,主要采取垂向加載,橫向加載和縱向加載,在垂向載荷考慮載荷偏置。在模型中軸承外圈與軸承座、軸承內(nèi)圈與輪軸、輪軸與車輪以及車輪與鋼軌之間建立接觸對(duì)。
1)通過有限元分析,在復(fù)合載荷下相應(yīng)尺寸的雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的滾動(dòng)體填充度設(shè)定為60%進(jìn)行分析(填充度K=d/D,D為滾動(dòng)體直徑,d為材料填充直徑)。
2)在不改變整體模型的情況下,對(duì)比計(jì)算雙列普通圓柱滾子軸承和雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在承受偏置載荷情況下的接觸應(yīng)力情況。
通過有限元分析計(jì)算,取軸承滾動(dòng)體與內(nèi)圈名義線接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力進(jìn)行分析,在偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下兩種雙列軸承接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力隨滾動(dòng)體沿軸向長(zhǎng)度的變化情況如圖5和圖6所示。
圖5 雙列普通圓柱滾子軸承有限元計(jì)算結(jié)果
據(jù)圖5 分析,雙列普通圓柱滾子軸承在偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下滾動(dòng)體外表面接觸等效應(yīng)力明顯不對(duì)稱,由于載荷偏置的作用滾動(dòng)體一側(cè)的等效應(yīng)力較另一側(cè)增大了154.53MPa,軸承在承載過程中存在明顯的偏載效應(yīng)。通過分析兩側(cè)的等效應(yīng)力值,兩側(cè)等效應(yīng)力值明顯比中間部位大,表明滾動(dòng)體兩端存在“邊緣效應(yīng)”。
圖6 雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承有限元計(jì)算結(jié)果
根據(jù)圖6 分析,雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在相同偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下滾動(dòng)體外表面接觸等效應(yīng)力隨著滾動(dòng)體沿軸向長(zhǎng)度的變化呈現(xiàn)不規(guī)律變化,滾動(dòng)體邊緣部分先增大后減小,中間部分較小,隨著長(zhǎng)度的增加應(yīng)力值不斷增大,表現(xiàn)出一定的偏載效應(yīng),但與普通圓柱滾子軸承相比其效應(yīng)明顯降低,由于彈性復(fù)合圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性,滾動(dòng)體兩側(cè)的“邊緣效應(yīng)”也明顯降低。
1)在偏置的機(jī)車輪對(duì)軸箱復(fù)雜載荷下,雙列圓柱滾子軸承在服役過程中產(chǎn)生偏置效應(yīng)。普通雙列圓柱滾子軸承存在明顯的偏置效應(yīng),滾動(dòng)體一側(cè)的等效應(yīng)力較另一側(cè)增大了154.53MPa,相同工況下雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承在服役過程中偏載效應(yīng)明顯降低。
2)在相同工況下,雙列彈性復(fù)合圓柱滾子軸承較普通圓柱滾子軸承在滾動(dòng)體兩側(cè)的“邊緣效應(yīng)”明顯降低。