鐵路貨車圓錐滾子軸承偏載應力分析

楊春輝，陳建斌

(華東交通大學 機電與車輛工程學院，南昌 330013)

1 載荷分析

圓錐滾子軸承在運轉過程中主要受軸向載荷和徑向載荷，以徑向載荷為主，軸向載荷為輔。列車通過彎道或道岔以及載貨分布不均時，軸向載荷增大，滾子與內外圈產生接觸偏移，產生偏載效應。軸向載荷越大，偏載效應越嚴重，從而影響軸承的工作特性及壽命[1-4]。

圓錐滾子軸承受力如圖1所示(Fr為徑向載荷，Fa為軸向載荷)。車體通過承載鞍傳遞給外圈的載荷垂直通過軸承外圈的橫截面中心，直線運行時，軸承主要受徑向力,軸向力較小；當通過彎道或道岔時，軸承同時承受徑向和軸向載荷。

列車輪受力平衡圖如圖2所示，FV為車輛隨機垂向動載荷；FH為車輛隨機橫向動載荷;h為車輛載荷中心到軸頸根部距離(h=125 mm);b1,b2為軸承載荷中心到車輛載荷中心距離(b1=b2=978 mm)，R為車輪半徑;QH,QV分別為車輪與軌道接觸的約束力。車輛的隨機動載FV，FH為[4]

FV=(1+αV)mbg,

(1)

FH=αHmbg,

式中：mb為車體質量；g為重力加速度；αV為垂向動力系數；αH為橫向動力系數。

圖2 受力平衡圖

根據JISE 4501—1995《鐵路車輛 軸的強度設計方法》，垂向動力系數αV=0.002 7v,橫向動力系數αH=0.040+0.001 2v，v=120 km/h；EN13103/EN13104 規定的αV,αH分別為 0.25,0.175；靜載時，αV=αH=0。以35.7 t軸重鐵路貨車為例，根據 (1) 式得到軸承承受的徑向載荷和軸向載荷見表1。

表1 軸向載荷和徑向載荷Tab.1 Axial load and radial load

2 有限元模型

以某35.7 t軸重鐵路貨車雙列圓錐滾子軸承為例，其結構參數見表2，基于ANSYS建立軸承有限元模型，分析滾子與內外圈之間的等效接觸應力，從而確定偏載對軸承接觸應力分布的影響[5-8]。

表2 結構參數Tab.2 Structural parameters

利用Pro/E進行建模，再導入ANSYS，主要分析靜態徑向載荷偏載對軸承接觸應力分布的影響，雙列圓錐滾子軸承結構對稱，載荷對稱，故僅提取滾子1/2模型進行分析。單元類型為Solid186，工作過程中，滾子與內外圈設置為面-面接觸，摩擦因數設為0.1，目標單元和接觸單元分別為TARG170，CONTA174。外圈采用全約束，軸承中間截面采用對稱約束。根據載荷位置的不同，載荷分為2種情況：1)施加均勻載荷；2)當載荷偏移時，施加梯形載荷。

3 結果分析

不偏載情況下圓錐滾子軸承整體應力云圖和滾子應力云圖如圖3所示，載荷向左偏移1 mm時圓錐滾子軸承整體應力云圖和滾子應力云圖如圖4所示。

由圖3和圖4可知，圓錐滾子軸承的最大接觸應力在滾子與內外圈的接觸區，在同一偏載條件下，各零件所受接觸應力由大到小分別為滾子、內圈及外圈。滾子受力為瞬態力，內圈為圓周運動，外圈最大接觸應力位置不變。內外圈材料相同，外圈失效率高于內圈和滾子。

圖3 載荷不發生偏移時的等效應力云圖Fig.3 The equivalent stress cloud when the load doesn’t shift

圖4 載荷向左偏移1 mm時的等效應力云圖Fig.4 The equivalent stress cloud when the load is shifted by 1 mm to the left

分別建立載荷向左偏移1，2，3 mm及向右偏移1，2，3 mm時的有限元模型并進行分析，得到軸承各零件的最大接觸應力如圖5所示(向左偏移為-，向右偏移為+)。由圖5可知，隨偏載距離增加，軸承各零件接觸應力增大，滾子邊緣接觸應力增幅最大，外圈接觸應力增幅最小。與均載相比，偏移載荷中心靠近滾子直徑較小一端時(即圖5中左偏載)，接觸應力高于其靠近滾子直徑較大一端，更容易出現邊緣效應，產生應力集中。當偏載距離過大時，會使軸承的接觸應力超過疲勞應力，對軸承產生破壞。隨偏載距離增大，滾子與內外圈應力集中越來越明顯，軸承壽命減小，影響車輛的運行。因此，在列車運行過程中，過彎道時速度應減小，避免承載不均，產生偏載效應。

圖5 最大接觸應力隨偏載距離的變化Fig.5 Variation of maximum contact stress with eccentric load displacement

4 結束語

以某35.7 t軸重鐵路貨車雙列圓錐滾子軸承為例,分析其在不同偏載距離下，滾子、外圈、內圈所受的等效應力：在偏移載荷下會產生應力集中，且隨偏載距離增大，應力集中現象越來越明顯。若偏載距離過大，各零件所受接觸應力超過疲勞應力時，會對軸承產生不可修復的破壞。