軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)強(qiáng)度有限元分析

徐聰　徐玲玲　崔雷　王明海

摘要：建立某新型高速鐵路軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)化有限元模型，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)利用RADIOSS對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析.該新型軸承試驗(yàn)臺(tái)在靜強(qiáng)度方面能夠滿足高速鐵路軸承的試驗(yàn)要求；疲勞分析結(jié)果指出其前期設(shè)計(jì)中的薄弱位置.

關(guān)鍵詞：高速鐵路； 有限元； 軸承試驗(yàn)臺(tái)； 靜強(qiáng)度； 疲勞強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： U270.7； TH123.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

高速鐵路的快速發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的必然要求.在鐵路車輛中作為行走支撐部件的軸承，每年都有成萬套損壞、更換，這種情況在高速鐵路中尤為常見.軸承的精度、壽命和可靠性等對(duì)高速車輛的行駛性能和安全性起重要作用.

為模擬高速鐵路軸承在極限工況下的各項(xiàng)性能，目前，國內(nèi)外正著手高速鐵路軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的研制，其中，國外高速鐵路試驗(yàn)臺(tái)發(fā)展較快.例如，瑞典SKF研制的高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)速達(dá)到550 km，可以模擬轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)載荷，并對(duì)軸承進(jìn)行綜合性能測(cè)試.[1]

1計(jì)算對(duì)象簡介

計(jì)算所用的高速鐵路軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足350～500 km/h高速鐵路軸承性能試驗(yàn)的需要，通過試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬實(shí)際使用狀況，進(jìn)行不同工況條件下軸承的急加速試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)，并能記錄軸承箱體溫度和振動(dòng)等多個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，以分析軸承的摩擦磨損性、抗疲勞性以及潤滑油脂特性等，為改進(jìn)軸承設(shè)計(jì)制造水平和優(yōu)化潤滑技術(shù)提供有效依據(jù).

該試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成.

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)主要由構(gòu)架、主軸組成、徑向加載裝置、軸向加載裝置、徑向加載調(diào)節(jié)裝置和輔助工裝等組成.試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1，并約定坐標(biāo)系方向，見圖2.結(jié)構(gòu)的主要材料：主軸為LZW（50#車軸鋼），支撐軸承座和試驗(yàn)軸承座為ZG310570，軸向加載裝置拉桿為45#鋼，其余結(jié)構(gòu)材料選用Q345B.材料參數(shù)見表1.

3有限元計(jì)算

前處理軟件采用HyperMesh，計(jì)算軟件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作為后處理軟件進(jìn)行應(yīng)力云圖的查看分析.質(zhì)量單位為t，長度單位為mm，力單位為N，應(yīng)力單位為MPa .

3.1網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)架采用殼單元模擬，單元大小約10 mm，厚度取設(shè)計(jì)值.軸向加載裝置、支撐軸承座、試驗(yàn)軸承座及主軸采用實(shí)體單元模擬，單元大小約10 mm.整個(gè)模型單元共794 806個(gè)，節(jié)點(diǎn)838 916個(gè).試驗(yàn)臺(tái)有限元模型見圖6，試驗(yàn)臺(tái)中的徑向加載裝置、軸向加載裝置及電機(jī)等部件采用質(zhì)量單元模擬，通過耦合約束將質(zhì)量單元與主結(jié)構(gòu)連接在一起.主軸有限元模型見圖7，螺栓連接處采用耦合約束進(jìn)行簡化，見圖8.

3.3靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1試驗(yàn)臺(tái)主結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)的靜強(qiáng)度工況1和2的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9，工況1應(yīng)力云圖見圖9，工況2應(yīng)力云圖見圖10.可知，各工況的應(yīng)力均低于材料的許用應(yīng)力，應(yīng)力大的位置主要分布在電機(jī)座與構(gòu)架連接處及支撐軸承座與構(gòu)架連接處，最大值為82.54 MPa.

4結(jié)束語

通過對(duì)高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)有限元仿真分析，從靜強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)滿足材料的屈服強(qiáng)度，而且具有較高的安全裕量.從疲勞強(qiáng)度結(jié)果可以看出，絕大部分機(jī)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度要求，但軸向加載裝置加載座焊縫處利用因數(shù)達(dá)到1.1，該部位疲勞性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議對(duì)該部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).綜上，有限元分析可以參與到工程設(shè)計(jì)中，并且可以為設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案，不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，且可以減少成本投入.

參考文獻(xiàn)：

[1]晁代勇. 高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究[D]. 洛陽： 河南科技大學(xué)， 2011.

[2]趙洪倫. 軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限單元法[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000機(jī)車車輛軸箱滾動(dòng)軸承在軸承試驗(yàn)機(jī)上的熱試驗(yàn)方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996車輛車軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法[S].

（編輯于杰）

摘要：建立某新型高速鐵路軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)化有限元模型，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)利用RADIOSS對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析.該新型軸承試驗(yàn)臺(tái)在靜強(qiáng)度方面能夠滿足高速鐵路軸承的試驗(yàn)要求；疲勞分析結(jié)果指出其前期設(shè)計(jì)中的薄弱位置.

關(guān)鍵詞：高速鐵路； 有限元； 軸承試驗(yàn)臺(tái)； 靜強(qiáng)度； 疲勞強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： U270.7； TH123.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

高速鐵路的快速發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的必然要求.在鐵路車輛中作為行走支撐部件的軸承，每年都有成萬套損壞、更換，這種情況在高速鐵路中尤為常見.軸承的精度、壽命和可靠性等對(duì)高速車輛的行駛性能和安全性起重要作用.

為模擬高速鐵路軸承在極限工況下的各項(xiàng)性能，目前，國內(nèi)外正著手高速鐵路軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的研制，其中，國外高速鐵路試驗(yàn)臺(tái)發(fā)展較快.例如，瑞典SKF研制的高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)速達(dá)到550 km，可以模擬轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)載荷，并對(duì)軸承進(jìn)行綜合性能測(cè)試.[1]

1計(jì)算對(duì)象簡介

計(jì)算所用的高速鐵路軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足350～500 km/h高速鐵路軸承性能試驗(yàn)的需要，通過試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬實(shí)際使用狀況，進(jìn)行不同工況條件下軸承的急加速試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)，并能記錄軸承箱體溫度和振動(dòng)等多個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，以分析軸承的摩擦磨損性、抗疲勞性以及潤滑油脂特性等，為改進(jìn)軸承設(shè)計(jì)制造水平和優(yōu)化潤滑技術(shù)提供有效依據(jù).

該試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成.

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)主要由構(gòu)架、主軸組成、徑向加載裝置、軸向加載裝置、徑向加載調(diào)節(jié)裝置和輔助工裝等組成.試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1，并約定坐標(biāo)系方向，見圖2.結(jié)構(gòu)的主要材料：主軸為LZW（50#車軸鋼），支撐軸承座和試驗(yàn)軸承座為ZG310570，軸向加載裝置拉桿為45#鋼，其余結(jié)構(gòu)材料選用Q345B.材料參數(shù)見表1.

3有限元計(jì)算

前處理軟件采用HyperMesh，計(jì)算軟件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作為后處理軟件進(jìn)行應(yīng)力云圖的查看分析.質(zhì)量單位為t，長度單位為mm，力單位為N，應(yīng)力單位為MPa .

3.1網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)架采用殼單元模擬，單元大小約10 mm，厚度取設(shè)計(jì)值.軸向加載裝置、支撐軸承座、試驗(yàn)軸承座及主軸采用實(shí)體單元模擬，單元大小約10 mm.整個(gè)模型單元共794 806個(gè)，節(jié)點(diǎn)838 916個(gè).試驗(yàn)臺(tái)有限元模型見圖6，試驗(yàn)臺(tái)中的徑向加載裝置、軸向加載裝置及電機(jī)等部件采用質(zhì)量單元模擬，通過耦合約束將質(zhì)量單元與主結(jié)構(gòu)連接在一起.主軸有限元模型見圖7，螺栓連接處采用耦合約束進(jìn)行簡化，見圖8.

3.3靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1試驗(yàn)臺(tái)主結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)的靜強(qiáng)度工況1和2的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9，工況1應(yīng)力云圖見圖9，工況2應(yīng)力云圖見圖10.可知，各工況的應(yīng)力均低于材料的許用應(yīng)力，應(yīng)力大的位置主要分布在電機(jī)座與構(gòu)架連接處及支撐軸承座與構(gòu)架連接處，最大值為82.54 MPa.

4結(jié)束語

通過對(duì)高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)有限元仿真分析，從靜強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)滿足材料的屈服強(qiáng)度，而且具有較高的安全裕量.從疲勞強(qiáng)度結(jié)果可以看出，絕大部分機(jī)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度要求，但軸向加載裝置加載座焊縫處利用因數(shù)達(dá)到1.1，該部位疲勞性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議對(duì)該部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).綜上，有限元分析可以參與到工程設(shè)計(jì)中，并且可以為設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案，不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，且可以減少成本投入.

參考文獻(xiàn)：

[1]晁代勇. 高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究[D]. 洛陽： 河南科技大學(xué)， 2011.

[2]趙洪倫. 軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限單元法[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000機(jī)車車輛軸箱滾動(dòng)軸承在軸承試驗(yàn)機(jī)上的熱試驗(yàn)方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996車輛車軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法[S].

（編輯于杰）

摘要：建立某新型高速鐵路軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)化有限元模型，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)利用RADIOSS對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析.該新型軸承試驗(yàn)臺(tái)在靜強(qiáng)度方面能夠滿足高速鐵路軸承的試驗(yàn)要求；疲勞分析結(jié)果指出其前期設(shè)計(jì)中的薄弱位置.

關(guān)鍵詞：高速鐵路； 有限元； 軸承試驗(yàn)臺(tái)； 靜強(qiáng)度； 疲勞強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： U270.7； TH123.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

高速鐵路的快速發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的必然要求.在鐵路車輛中作為行走支撐部件的軸承，每年都有成萬套損壞、更換，這種情況在高速鐵路中尤為常見.軸承的精度、壽命和可靠性等對(duì)高速車輛的行駛性能和安全性起重要作用.

為模擬高速鐵路軸承在極限工況下的各項(xiàng)性能，目前，國內(nèi)外正著手高速鐵路軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的研制，其中，國外高速鐵路試驗(yàn)臺(tái)發(fā)展較快.例如，瑞典SKF研制的高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)速達(dá)到550 km，可以模擬轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)載荷，并對(duì)軸承進(jìn)行綜合性能測(cè)試.[1]

1計(jì)算對(duì)象簡介

計(jì)算所用的高速鐵路軸承綜合性能試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足350～500 km/h高速鐵路軸承性能試驗(yàn)的需要，通過試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬實(shí)際使用狀況，進(jìn)行不同工況條件下軸承的急加速試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)，并能記錄軸承箱體溫度和振動(dòng)等多個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，以分析軸承的摩擦磨損性、抗疲勞性以及潤滑油脂特性等，為改進(jìn)軸承設(shè)計(jì)制造水平和優(yōu)化潤滑技術(shù)提供有效依據(jù).

該試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成.

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)主要由構(gòu)架、主軸組成、徑向加載裝置、軸向加載裝置、徑向加載調(diào)節(jié)裝置和輔助工裝等組成.試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1，并約定坐標(biāo)系方向，見圖2.結(jié)構(gòu)的主要材料：主軸為LZW（50#車軸鋼），支撐軸承座和試驗(yàn)軸承座為ZG310570，軸向加載裝置拉桿為45#鋼，其余結(jié)構(gòu)材料選用Q345B.材料參數(shù)見表1.

3有限元計(jì)算

前處理軟件采用HyperMesh，計(jì)算軟件采用RADIOSS求解器，采用HyperView作為后處理軟件進(jìn)行應(yīng)力云圖的查看分析.質(zhì)量單位為t，長度單位為mm，力單位為N，應(yīng)力單位為MPa .

3.1網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)架采用殼單元模擬，單元大小約10 mm，厚度取設(shè)計(jì)值.軸向加載裝置、支撐軸承座、試驗(yàn)軸承座及主軸采用實(shí)體單元模擬，單元大小約10 mm.整個(gè)模型單元共794 806個(gè)，節(jié)點(diǎn)838 916個(gè).試驗(yàn)臺(tái)有限元模型見圖6，試驗(yàn)臺(tái)中的徑向加載裝置、軸向加載裝置及電機(jī)等部件采用質(zhì)量單元模擬，通過耦合約束將質(zhì)量單元與主結(jié)構(gòu)連接在一起.主軸有限元模型見圖7，螺栓連接處采用耦合約束進(jìn)行簡化，見圖8.

3.3靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1試驗(yàn)臺(tái)主結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)的靜強(qiáng)度工況1和2的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9，工況1應(yīng)力云圖見圖9，工況2應(yīng)力云圖見圖10.可知，各工況的應(yīng)力均低于材料的許用應(yīng)力，應(yīng)力大的位置主要分布在電機(jī)座與構(gòu)架連接處及支撐軸承座與構(gòu)架連接處，最大值為82.54 MPa.

4結(jié)束語

通過對(duì)高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)有限元仿真分析，從靜強(qiáng)度應(yīng)力結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)滿足材料的屈服強(qiáng)度，而且具有較高的安全裕量.從疲勞強(qiáng)度結(jié)果可以看出，絕大部分機(jī)構(gòu)滿足疲勞強(qiáng)度要求，但軸向加載裝置加載座焊縫處利用因數(shù)達(dá)到1.1，該部位疲勞性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議對(duì)該部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).綜上，有限元分析可以參與到工程設(shè)計(jì)中，并且可以為設(shè)計(jì)提出改進(jìn)方案，不僅可以提高設(shè)計(jì)效率，且可以減少成本投入.

參考文獻(xiàn)：

[1]晁代勇. 高速鐵路軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究[D]. 洛陽： 河南科技大學(xué)， 2011.

[2]趙洪倫. 軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2009： 253268.

[3]王勖成. 有限單元法[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2008.

[4]BS EN 199319： 2005Eurocode 3： Design of steel structures：Part 19： Fatigue[S].

[5]TB/T 3000—2000機(jī)車車輛軸箱滾動(dòng)軸承在軸承試驗(yàn)機(jī)上的熱試驗(yàn)方法[S].

[6]DIN EN 13104： 2013—03（E）Railway applicationswheel sets and bogiespowered axlesdesign method[S].

[7]TB/T 2705—1996車輛車軸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算方法[S].

（編輯于杰）