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 a.機械工程學院；b.交通運輸工程學院，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所示的密封罩進行密封[1]，軸承外圈結構如圖2所示。

圖2 軸承外圈結構

據統計，自2008年以來發生了數起因軸承溫升過高，最終造成列車攔停的事故，這對鐵路運輸的正常進行造成了一定影響[2]。

當密封罩壓裝過盈量小于0.15 mm時，由于密封罩的牙口凸臺與軸承外圈牙口沒有形成標準要求的過盈配合，貨車遇到輪軌踏面損傷及高速劇烈振動時，容易發生密封罩松動脫出；當密封罩壓裝過盈量大于最大過盈量0.37 mm時，由于壓裝時密封罩牙口凸臺會發生較大塑性變形，甚至被剪切掉，影響凸臺的理論尺寸和形狀，從而造成密封罩與軸承外圈牙口溝槽的配合性質發生改變，鎖緊性能下降。

此外，當壓裝過盈量符合圖紙規定，在0.15～0.37 mm選取時，由于密封罩的材料為10#碳素鋼，壓裝時作用在密封罩上的壓力超過密封罩的屈服極限時，密封罩將發生塑性變形，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生間隙配合，從而導致密封罩產生松動，最終脫出。因此，充分考慮密封罩在壓裝過程中的彈塑性應變，獲得密封罩壓裝最小過盈量是一個十分重要的問題。

2 有限元分析

2.1 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件對密封罩和軸承外圈的壓裝過程進行彈塑性分析模擬。由于密封罩和軸承外圈都是軸對稱結構，故其單元類型定義為四節點四邊形雙線性非協調軸對稱單元CAX4I，回轉軸為y軸，有限元分析模型如圖3所示。圖中密封罩的單元數為16 328，節點數為16 889。為了簡化分析過程，分析時只創建軸承外圈入口、外圈牙口及其牙口溝槽部分的模型。外圈模型單元數為20 140，節點數為20 458。外圈和密封罩的網格劃分如圖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，材料塑性應力應變關系如圖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格劃分

圖5 密封罩材料塑性應力應變關系曲線

為了簡化過程，將密封罩壓裝過程有限元分析定義為靜態響應問題，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滑動。在定義密封罩和外圈接觸時，密封罩定義為主動面，外圈定義為從動面，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力大小不受限制，當接觸應力變為零或負值時，兩接觸面分離，并且去掉相應節點上的接觸約束[3]。密封罩和外圈的接觸面摩擦因數定義為0.2。

圖6 約束條件和載荷

2.2 有限元分析結果

對密封罩壓裝過盈量為0.15，0.20，0.25和0.28 mm的4種情況進行有限元分析，應力和應變的變化規律基本相同，具體數值見表1。圖7～圖9為過盈量為0.28 mm時密封罩壓裝過程的3個主要階段，即入口階段、牙口階段和牙口溝槽階段的塑性應變圖、最大接觸應力圖和最大等效應力圖。

表1 不同過盈量時密封罩塑性應變、最大接觸應力和最大等效應力對比

由圖7可知，密封罩在軸承外圈入口階段的塑性應變最大，進入牙口之后，塑性應變逐漸減小，到牙口階段，達到最小值；在牙口階段和牙口溝槽階段的塑性應變數值比較接近，這是因為密封罩在進入外圈牙口時，與牙口發生劇烈的擠壓和摩擦，產生了較大的塑性應變；當密封罩進入牙口之后，由于密封罩在入口階段已經發生了較大的塑性應變，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，密封罩的塑性應變減小。

圖7 塑性應變圖

由圖8可知，密封罩在牙口溝槽階段的最大接觸應力值遠大于另外兩個階段，這是因為外圈壓裝部分的力學模型可以等效為一個懸臂梁，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大于入口和牙口；此外，密封罩進入牙口溝槽階段時，與外圈的接觸面積減小，雖然塑性應變無明顯改變，但其接觸應力顯著增大。密封罩在入口階段的最大接觸應力大于牙口階段，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力值比較接近，均明顯大于牙口階段的最大等效應力值，這是因為密封罩進入外圈牙口時，在較大的壓裝力作用下與牙口發生劇烈的擠壓和摩擦，發生了較大的塑性應變；當密封罩進入牙口之后，由于密封罩在入口階段已經發生了較大的塑性應變，故在牙口階段密封罩和外圈的相互作用明顯減弱，最大等效應力峰值也明顯降低；當密封罩進入牙口溝槽時，雖然塑性應變沒有明顯改變，但是密封罩和牙口溝槽的接觸面積明顯減小，從而導致最大等效應力增大。

圖9 最大等效應力圖

另外分析表1數據也表明，壓裝過盈量對入口和牙口階段的密封罩塑性應變的影響較小，但對牙口溝槽階段的塑性應變影響較大。隨著過盈量的增大，密封罩的塑性應變先增大后減小，當過盈量為0.28 mm時，密封罩進入牙口溝槽階段時的塑性應變最小；壓裝過盈量對入口和牙口階段的密封罩最大接觸應力影響較小，但對牙口溝槽階段的最大接觸應力影響較大，其變化規律為先緩慢增大再顯著降低；壓裝過盈量對密封罩最大等效應力的影響較小。

3 試驗分析

使用YN-2型扭矩測量儀(圖10)對密封罩壓裝效果進行測試，該測量儀采用臥式檢測方式，當軸承到達檢測位置后，檢測設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構傳遞給夾具的夾頭，夾緊力滿足夾緊要求。當夾具夾緊密封罩后，在一端夾具上施加定值扭矩，對密封罩壓裝質量進行檢測，扭矩的施加機構由配重、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《鐵路貨車車輪軸組裝、檢修及管理規定》[4]，對密封罩施加了122.5 N·m的扭矩，以密封罩和軸承外圈是否發生相對轉動為判據，確定密封罩的最小過盈量。試驗結果表明，當密封罩的過盈量小于0.28 mm時，施加扭矩之后，密封罩和軸承外圈之間有相對轉動，當過盈量大于0.28 mm時，密封罩和軸承外圈之間已不再有相對轉動，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量儀

4 結束語

采用ABAQUS有限元分析軟件對貨車軸承密封罩進行了彈、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力、最大接觸應力和塑性應變數值，并對4種過盈量的壓裝過程的分析結果進行對比，找出了過盈量對最大等效應力、最大接觸應力和塑性應變數值的影響規律。

采用密封罩壓裝扭矩測量儀確定了密封罩最小壓裝過盈量為0.28 mm。但在進行有限元彈塑性分析時，密封罩和軸承外圈都假定為各向同性材料，這與實際情況不符，且密封罩和軸承外圈的摩擦因數假定為0.2，這些均有待做進一步的試驗驗證。