高速鐵路機(jī)車圓錐滾子軸承凸度與動(dòng)態(tài)性能概述

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1、高速鐵路機(jī)車圓錐滾子軸承凸度與動(dòng)態(tài)性能概述第1章緒論1.1研究目的及意義鐵路客車圓錐滾子軸承在工作過程中主要承受以徑向?yàn)橹鞯膹?、軸向聯(lián)合作用的負(fù)荷，而由于軸承設(shè)計(jì)的不合理，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾子與滾道接觸的兩端容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成邊緣效應(yīng)，這種效應(yīng)加速了滾子與套圈之間的磨損，造成軸承的過早失效[5-7]。在實(shí)際設(shè)計(jì)中保持軸承基本尺寸不變的情況下，對(duì)滾子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，即通過設(shè)計(jì)合理的凸形和凸度量來降低應(yīng)力集中，改善滾子與滾道接觸的應(yīng)力分布和動(dòng)態(tài)性能[8]。在高速條件下，圓錐滾子軸承各部件的動(dòng)態(tài)特性決定了軸承的工作性能，轉(zhuǎn)速

2、的提高，滾子的離心率增大，與圈體的接觸應(yīng)力也隨之增大，對(duì)軸承造成較大的沖擊。目前，利用CAE技術(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真檢驗(yàn)已經(jīng)成為滾動(dòng)軸承研究的發(fā)展趨勢(shì)，可以從理論上對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析研究，有利于從軸承內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理探索軸承的失效及故障原因[9-13]。本文結(jié)合圓錐滾子軸承實(shí)際工況，借助有限元分析軟件ANSYS和顯式動(dòng)力學(xué)仿真軟件ANSYS/LS-DYNA分別對(duì)圓錐滾子凸度及軸承的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。確定軸承合理的凸形及凸度量，研究滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特性，以便從內(nèi)部機(jī)理探索滾動(dòng)軸承的故障發(fā)生機(jī)理和特征，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，

3、對(duì)軸承進(jìn)行小批量生產(chǎn)，按照試驗(yàn)規(guī)范對(duì)軸承進(jìn)行溫升性能試驗(yàn)，驗(yàn)證其高速性能，為高鐵軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。本研究得到了十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAF09B01）的資助。1.2高速鐵路軸承技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀軸箱軸承作為鐵路客車的關(guān)鍵零部件之一，同樣也是高速鐵路客車最易損壞部件之一。而鐵路客車軸承的使用壽命和可靠性直接影響著鐵路客車的性能、質(zhì)量和安全[14-16]。國(guó)外對(duì)高速鐵路用軸承進(jìn)行了非常系統(tǒng)的研究，目前國(guó)際上生產(chǎn)高速鐵路軸承的公司主要有德國(guó)的FAG、瑞典的SKF，美國(guó)的TIMKEN以及日本的NTN和NSK。其中，SKF

4、和TIMKEN的軸箱軸承在全世界應(yīng)用最廣，在設(shè)計(jì)方面主要利用CAE軟件對(duì)高鐵軸承的力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行有限元分析和應(yīng)力計(jì)算，并對(duì)其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和主參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品的性能、壽命與可靠性；設(shè)計(jì)采用了塑鋼保持架，顯著降低了軸承的摩擦，緩和了滾子的滑動(dòng)與磨損，降低了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度，提高了安全性[17]。其中SKF的產(chǎn)品還設(shè)計(jì)安裝了監(jiān)控速度和軸承狀態(tài)的內(nèi)置傳感器；在密封方面，多數(shù)軸承采用了新型的內(nèi)置式低接觸密封，這種密封以低摩擦橡膠密封原理為基礎(chǔ)，組合使用了迷宮式密封和唇形密封，大大改善了對(duì)污染的防護(hù)能力，明顯降低了潤(rùn)滑油的泄

5、漏，有效地提高了軸承的壽命[18]；在軸承材料方面，SKF通過嚴(yán)格控制軸承鋼中的殘余奧氏體含量，防止因內(nèi)圈尺寸的增大引起內(nèi)圈與軸的配合過盈量減小，而導(dǎo)致內(nèi)圈與軸頸產(chǎn)生微動(dòng)磨損，日本采用真空熔煉技術(shù)降低氧化物雜物，提高軸承鋼的使用壽命；在試驗(yàn)方面，在軸承試驗(yàn)方面，國(guó)外專門設(shè)計(jì)研制了試驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)高速鐵路客車和城市軌道交通車輛軸承進(jìn)行了系統(tǒng)全面的臺(tái)架試驗(yàn)，主要包括軸承動(dòng)態(tài)仿真載荷試驗(yàn)（THISBE試驗(yàn)臺(tái)）、軸承疲勞試驗(yàn)、軸承耐久性試驗(yàn)以及軸承的環(huán)境模擬試驗(yàn)等，保證了軸承的高可靠性[19]。SKF與FAG共同研制了時(shí)速550km的高速鐵路軸

6、承試驗(yàn)臺(tái)，可以真實(shí)模擬鐵路軸承的實(shí)際運(yùn)行工況并測(cè)試高速鐵路的綜合性能。FAG高鐵軸承試驗(yàn)臺(tái)AN46可以模擬強(qiáng)風(fēng)下軸承的可靠性；在軸承制造方面，國(guó)外軸承已成功地解決了高速鐵路客車和城市軌道交通車輛軸承的熱處理和制造難題，所生產(chǎn)的軸承精度達(dá)到P4級(jí)以上，其中關(guān)鍵的粗糙度、尺寸與形位精度甚至達(dá)到P2級(jí)，并形成了批量化的生產(chǎn)[20]。第2章雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性與受力分析2.1雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式分析軸承是高速鐵路和城市軌道交通車輛的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)支承基礎(chǔ)件，要求具有長(zhǎng)壽命、高精度和高可靠性。而雙列圓錐滾子軸承因其形狀獨(dú)特，結(jié)構(gòu)緊湊，負(fù)

7、載性能好，剛性強(qiáng)及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在鐵路機(jī)車中。這種軸承不僅可以承受較大的徑向載荷，還可以承受一定的軸向載荷，更重要的是能夠運(yùn)行在較高的速度上還能保持較高的可靠性。另外，該軸承安裝調(diào)試方便，在軸承兩內(nèi)圈中間加一個(gè)中隔圈可以實(shí)現(xiàn)軸承的預(yù)調(diào)，簡(jiǎn)化了游隙和預(yù)緊的調(diào)整，雙列圓錐滾子軸承有外向雙列圓錐滾子軸承和內(nèi)向雙列圓錐滾子軸承兩個(gè)類型，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。本文以高速鐵路客車3522262型內(nèi)向型雙列圓錐滾子軸承為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本尺寸如圖2-2和表2-1所示，由兩個(gè)單滾道內(nèi)圈、一個(gè)雙滾道外圈以及用于調(diào)整游隙的內(nèi)外隔擋圈

8、、兩列圓錐滾子和保持架構(gòu)成。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)外圈及滾子主要承受載荷，保持架主要起分離滾子和保持穩(wěn)定的作用，隔擋圈主要用于調(diào)整游隙。2.1.2雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特性由于圓錐滾子與滾道之間的接觸為線接觸，這樣圓錐滾子軸承具有很大的承載