鐵路貨車軸承密封罩壓裝最小過盈量分析

張秀娟,劉雨,盛友藝,王鵬飛

(大連交通大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

1 問題的提出

為了使軸承保持良好的潤滑條件、延長使用壽命，必須對(duì)軸承采用適宜的密封裝置。目前，鐵路貨車用352226X2-2RZ型軸承采用如圖1所示的密封罩進(jìn)行密封[1]，軸承外圈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軸承外圈結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2008年以來發(fā)生了數(shù)起因軸承溫升過高，最終造成列車攔停的事故，這對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行造成了一定影響[2]。

當(dāng)密封罩壓裝過盈量小于0.15 mm時(shí)，由于密封罩的牙口凸臺(tái)與軸承外圈牙口沒有形成標(biāo)準(zhǔn)要求的過盈配合，貨車遇到輪軌踏面損傷及高速劇烈振動(dòng)時(shí)，容易發(fā)生密封罩松動(dòng)脫出；當(dāng)密封罩壓裝過盈量大于最大過盈量0.37 mm時(shí)，由于壓裝時(shí)密封罩牙口凸臺(tái)會(huì)發(fā)生較大塑性變形，甚至被剪切掉，影響凸臺(tái)的理論尺寸和形狀，從而造成密封罩與軸承外圈牙口溝槽的配合性質(zhì)發(fā)生改變，鎖緊性能下降。

此外，當(dāng)壓裝過盈量符合圖紙規(guī)定，在0.15～0.37 mm選取時(shí)，由于密封罩的材料為10#碳素鋼，壓裝時(shí)作用在密封罩上的壓力超過密封罩的屈服極限時(shí)，密封罩將發(fā)生塑性變形，這將大大減小密封罩和軸承外圈間的過盈量，甚至可能在二者之間產(chǎn)生間隙配合，從而導(dǎo)致密封罩產(chǎn)生松動(dòng)，最終脫出。因此，充分考慮密封罩在壓裝過程中的彈塑性應(yīng)變，獲得密封罩壓裝最小過盈量是一個(gè)十分重要的問題。

2 有限元分析

2.1 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)密封罩和軸承外圈的壓裝過程進(jìn)行彈塑性分析模擬。由于密封罩和軸承外圈都是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故其單元類型定義為四節(jié)點(diǎn)四邊形雙線性非協(xié)調(diào)軸對(duì)稱單元CAX4I，回轉(zhuǎn)軸為y軸，有限元分析模型如圖3所示。圖中密封罩的單元數(shù)為16 328，節(jié)點(diǎn)數(shù)為16 889。為了簡化分析過程，分析時(shí)只創(chuàng)建軸承外圈入口、外圈牙口及其牙口溝槽部分的模型。外圈模型單元數(shù)為20 140，節(jié)點(diǎn)數(shù)為20 458。外圈和密封罩的網(wǎng)格劃分如圖4所示。有限元分析模型中密封罩和外圈的材料屬性如下：密封罩采用10#碳素鋼，其彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，屈服極限為210 MPa，材料塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖5所示。外圈采用合金鋼，其彈性模量為210 GPa，泊松比為0.25。

圖3 有限元分析模型

圖4 外圈及密封罩局部網(wǎng)格劃分

圖5 密封罩材料塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

為了簡化過程，將密封罩壓裝過程有限元分析定義為靜態(tài)響應(yīng)問題，壓裝過程定義為幾何非線性大位移問題且為有限滑移，即密封罩和外圈兩接觸面之間可以有任意的相對(duì)滑動(dòng)。在定義密封罩和外圈接觸時(shí)，密封罩定義為主動(dòng)面，外圈定義為從動(dòng)面，其接觸屬性定義為“硬接觸”，即接觸面之間能夠傳遞的接觸應(yīng)力大小不受限制，當(dāng)接觸應(yīng)力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，兩接觸面分離，并且去掉相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的接觸約束[3]。密封罩和外圈的接觸面摩擦因數(shù)定義為0.2。

圖6 約束條件和載荷

2.2 有限元分析結(jié)果

對(duì)密封罩壓裝過盈量為0.15，0.20，0.25和0.28 mm的4種情況進(jìn)行有限元分析，應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律基本相同，具體數(shù)值見表1。圖7～圖9為過盈量為0.28 mm時(shí)密封罩壓裝過程的3個(gè)主要階段，即入口階段、牙口階段和牙口溝槽階段的塑性應(yīng)變圖、最大接觸應(yīng)力圖和最大等效應(yīng)力圖。

表1 不同過盈量時(shí)密封罩塑性應(yīng)變、最大接觸應(yīng)力和最大等效應(yīng)力對(duì)比

由圖7可知，密封罩在軸承外圈入口階段的塑性應(yīng)變最大，進(jìn)入牙口之后，塑性應(yīng)變逐漸減小，到牙口階段，達(dá)到最小值；在牙口階段和牙口溝槽階段的塑性應(yīng)變數(shù)值比較接近，這是因?yàn)槊芊庹衷谶M(jìn)入外圈牙口時(shí)，與牙口發(fā)生劇烈的擠壓和摩擦，產(chǎn)生了較大的塑性應(yīng)變；當(dāng)密封罩進(jìn)入牙口之后，由于密封罩在入口階段已經(jīng)發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變，因此，在牙口階段和牙口溝槽階段密封罩和外圈的相互作用明顯減弱，密封罩的塑性應(yīng)變減小。

圖7 塑性應(yīng)變圖

由圖8可知，密封罩在牙口溝槽階段的最大接觸應(yīng)力值遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)階段，這是因?yàn)橥馊貉b部分的力學(xué)模型可以等效為一個(gè)懸臂梁，入口階段為懸臂梁的自由端，牙口溝槽階段的最底部可以等效為懸臂梁的固定端，牙口溝槽處的剛度遠(yuǎn)大于入口和牙口；此外，密封罩進(jìn)入牙口溝槽階段時(shí)，與外圈的接觸面積減小，雖然塑性應(yīng)變無明顯改變，但其接觸應(yīng)力顯著增大。密封罩在入口階段的最大接觸應(yīng)力大于牙口階段，這是因密封罩受到較大的壓裝力與外圈之間的摩擦增大的緣故。

圖8 最大接觸應(yīng)力圖

由圖9可知，密封罩在入口和牙口溝槽階段的最大等效應(yīng)力值比較接近，均明顯大于牙口階段的最大等效應(yīng)力值，這是因?yàn)槊芊庹诌M(jìn)入外圈牙口時(shí)，在較大的壓裝力作用下與牙口發(fā)生劇烈的擠壓和摩擦，發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變；當(dāng)密封罩進(jìn)入牙口之后，由于密封罩在入口階段已經(jīng)發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變，故在牙口階段密封罩和外圈的相互作用明顯減弱，最大等效應(yīng)力峰值也明顯降低；當(dāng)密封罩進(jìn)入牙口溝槽時(shí)，雖然塑性應(yīng)變沒有明顯改變，但是密封罩和牙口溝槽的接觸面積明顯減小，從而導(dǎo)致最大等效應(yīng)力增大。

圖9 最大等效應(yīng)力圖

另外分析表1數(shù)據(jù)也表明，壓裝過盈量對(duì)入口和牙口階段的密封罩塑性應(yīng)變的影響較小，但對(duì)牙口溝槽階段的塑性應(yīng)變影響較大。隨著過盈量的增大，密封罩的塑性應(yīng)變先增大后減小，當(dāng)過盈量為0.28 mm時(shí)，密封罩進(jìn)入牙口溝槽階段時(shí)的塑性應(yīng)變最??；壓裝過盈量對(duì)入口和牙口階段的密封罩最大接觸應(yīng)力影響較小，但對(duì)牙口溝槽階段的最大接觸應(yīng)力影響較大，其變化規(guī)律為先緩慢增大再顯著降低；壓裝過盈量對(duì)密封罩最大等效應(yīng)力的影響較小。

3 試驗(yàn)分析

使用YN-2型扭矩測(cè)量儀(圖10)對(duì)密封罩壓裝效果進(jìn)行測(cè)試，該測(cè)量儀采用臥式檢測(cè)方式，當(dāng)軸承到達(dá)檢測(cè)位置后，檢測(cè)設(shè)備中的弧形夾具分別夾緊軸承兩端的密封罩，夾緊力由伸縮氣缸通過杠桿機(jī)構(gòu)傳遞給夾具的夾頭，夾緊力滿足夾緊要求。當(dāng)夾具夾緊密封罩后，在一端夾具上施加定值扭矩，對(duì)密封罩壓裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，扭矩的施加機(jī)構(gòu)由配重、齒盤和頂升氣缸組成，施加扭矩的大小等于配重所受重力和齒盤有效半徑之積。根據(jù)《鐵路貨車車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)定》[4]，對(duì)密封罩施加了122.5 N·m的扭矩，以密封罩和軸承外圈是否發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)為判據(jù)，確定密封罩的最小過盈量。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)密封罩的過盈量小于0.28 mm時(shí)，施加扭矩之后，密封罩和軸承外圈之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)過盈量大于0.28 mm時(shí)，密封罩和軸承外圈之間已不再有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，0.28 mm為密封罩壓裝最小過盈量。

圖10 YN-2型密封罩壓裝扭矩測(cè)量儀

4 結(jié)束語

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)貨車軸承密封罩進(jìn)行了彈、塑性有限元接觸分析，得出了外圈入口、牙口和牙口溝槽部位的最大等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)值，并對(duì)4種過盈量的壓裝過程的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找出了過盈量對(duì)最大等效應(yīng)力、最大接觸應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)值的影響規(guī)律。

采用密封罩壓裝扭矩測(cè)量儀確定了密封罩最小壓裝過盈量為0.28 mm。但在進(jìn)行有限元彈塑性分析時(shí)，密封罩和軸承外圈都假定為各向同性材料，這與實(shí)際情況不符，且密封罩和軸承外圈的摩擦因數(shù)假定為0.2，這些均有待做進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。