高速鐵路客車圓錐滾子軸承凸度與動(dòng)態(tài)性能分析

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1、第1章緒論第1章緒論1.1研究目的及意義隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)地發(fā)展，高速鐵路以其運(yùn)量大、速度快、能耗低、運(yùn)價(jià)廉、占地少、安全可靠等一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)適應(yīng)了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的新要求[1]。而軸箱軸承作為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，其安全性能指標(biāo)是最根本的技術(shù)性能要求，因此提高鐵路客車軸箱軸承工作性能和可[2-4]靠性顯得尤為重要。鐵路客車圓錐滾子軸承在工作過程中主要承受以徑向?yàn)橹鞯膹健⑤S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

2、效應(yīng)加速了滾子與套圈之間的磨損，[5-7]造成軸承的過早失效。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[8]中，改善滾子與滾道接觸的應(yīng)力分布和動(dòng)態(tài)性能。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[9-13]從軸承內(nèi)部

3、的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理探索軸承的失效及故障原因。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，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)

4、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)[14-16]量和安全。1萬方數(shù)據(jù)河南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文國(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)

5、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[17]損，降低了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度，提高了安全性。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)滑油的泄漏，有效地提[18]高了軸承的壽命；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)

6、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[19]環(huán)境模擬試驗(yàn)等，保證了軸承的高可靠性。SKF與FAG共同研制了時(shí)速550km的高速鐵路軸承試驗(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

7、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[20]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)。國(guó)內(nèi)在高鐵軸承上的研究起步比較晚，國(guó)家在“七五”和“八五”期間組織過大量科研人員進(jìn)行攻關(guān)，取得了一些成效，洛陽(yáng)軸承研究所“八五”期間與洛陽(yáng)軸承集團(tuán)有限公司合作研制開發(fā)了準(zhǔn)高速客車軸承，并掌握了時(shí)速為180km準(zhǔn)高速鐵路客車軸承的一些關(guān)鍵技術(shù)。洛軸于九十年代初僅用很短的時(shí)間研制出的達(dá)到九十年代國(guó)際同類先進(jìn)產(chǎn)品的水平，被列為國(guó)家級(jí)火炬

8、計(jì)劃的準(zhǔn)高速鐵路客車軸承，至今已擁有了自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足現(xiàn)階段鐵路高速運(yùn)行的要求。自2004年引進(jìn)高鐵技術(shù)以來，國(guó)家堅(jiān)持自主研發(fā)核心技術(shù)，在近幾年的時(shí)間里也取得了一些成效，例如在十一五期間，由洛陽(yáng)軸研科技、洛陽(yáng)LYC等國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)龍頭單位承擔(dān)的―十一五‖科技支撐計(jì)劃，其中高速鐵路軸承的研發(fā)是其中的重要內(nèi)容，在軸承的