（载运工具运用工程专业论文）铁路货车353130b轴承的接触应力计算.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近两年，3 5 31 3 0 b 轴承频繁发生接触剥离失效，是中国铁路运输面临的重 要科技难题之一。本学位论文分别计算了c 7 0 、c 7 0 h 和c 8 0 b f 货车在直道和 弯道运行载荷条件下3 5 3 1 3 0 b 轴承滚子与内外圈滚道接触应力，进一步考虑了 轮对制造装配误差以及外圈牙口不同倒角对接触应力的影响。主要研究工作包 括： ( 1 ) 调研了3 5 31 3 0 b 轴承故障和铁路轴承接触失效的模式。 ( 2 ) 分别建立了c 7 0 、c 7 0 h 和c 8 0 b f 货车轮轴系统的力学模型和a n s y s 有限元整体与局部分析模型。 ( 3 ) 分析了三种货车在直道和弯道运行瞬时载荷条件下3 5 3 1 3 0 b 轴承滚子 与内外圈滚道接触应力及分布规律。考虑轮对制造装配误差以及外圈牙口不同 倒角对接触应力的影响，分析了三种货车在直道和弯道运行瞬时载荷下 3 5 3 1 3 0 b 轴承滚子与内外圈滚道接触应力及分布规律。 学位论文揭示了外圈设计过薄是轴承过早失效的主要原因；摆式转向架货 车的接触应力较普通货车略高2 0 ；制造装配误差极限约增加接触应力约1 0 ； 考虑外圈牙口倒角半径r 大于o 6 m m 后对接触应力的影响不敏感。为改进 3 5 3 1 3 0 b 轴承的设计与管理提供了依据。 关键词：3 5 31 3 0 b 轴承；接触应力；有限元分析； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 a b s t r a c t t h eo u t e rr i n gs h e l l i n gf a i l u r eo c c u r r e df r e q u e n t l yd u r i n gl a s tt w oy e a r sf o rt h e 3 5 313 0 br o l l e rb e a r i n go fc h i n e s ef r e i g h tc a r s i ti so n eo fm a i ns c i e n t i f i cc h a n l l e g e s f a c e db yc h i n ar a i l w a yi n d u s t r y t h ep r e s e n tt h e s i si sa i m e da tc a l c u l a t i n gt h e c o n t a c ts t r e s s e sb e t w e e nr o l l e r sa n dr a c e w a y so fi n n e r - o u t e rr i n g so ft h eb e a r i n go f c h i n e s ec 7 0 ，c 7 0 ha n dc 80 b ff r e i g h tc a r s t h eo n - l i n ei n s p e c t e dl o a d so ns t r a i g h t a n dc u r v e dl i n e sw e r ea p p l i e d a n dt h ea s s e m b l i n ge r r o re f f e c ta n dt h eo u t e rr i n gs e a l s e a tg r o o v er a d i u sa f f e c t i n go nt h es t r e s s e sw e r ea l s oa n a l y z e d t h ef o l l o w i n gw o r k w a sp e r f o r m e d ： ( 1 ) af i e l di n v e s t i g a t i o nw a se m p l o y e do nt h es p e c i f i cs h e l l i n g f a i l u r e so f 3 5 313 0 br o l l e rb e a r i n ga n dt h eg e n e r a ls h e l l i n gf a i l u r em o d eo ft h er a i l w a ym i l e r b e a r i n g s ( 2 ) b a l a n c e f o r c ee l e m e n tm o d e l sa n dr e l a v a n ti n t e g r a t e de l a s t i c p l a s t i c f i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g sw e r ec o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l y f o rt h ew h e e l a x l es y s t e m s ( i n c l u d i n gt h er o l l e r ) o ft h ec h i n e s ec 7 0 ，c 7 0 ha n dc 8 0 b ft y p e so fr a i l w a yf r e i g h t c a r s ( 3 ) t h ec o n t a c ts t r e s s e sb e t w e e nt h eb e a r i n gr o l l e r s a n di n n e r - o u t e rr i n g r a c e w a y sw e r e o b t a i n e dr e s p e c t i v e l yf o rt h el o a d i n gc o n d i t i o n su n d e ro n l i n e i n s p e c t e ds t r a i g h ta n dc u r v e dr a i l w a yl i n e s t h ea s s e m b l i n ge r r o r e f f e c ta n dt h eo u t e r r i n gs e a ls e a tg r o o v er a d i u sa f f e c t i n gw e r e a l s oa c h i e v e d r e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h et o om u c ht h i n n e rd e s i g no ft h eb e a r i n go u t e rr i n gi st h e m a i nc a u s eo ft h es h e l l i n gf a i l u r e s ；a b o u t2 0 o ft h ec o n t a c ts t r e s s e si sh i g h e rf o r t h ef r e i g h tc a rw i t ht i l t i n gb o g i e ；t h ee x t r e m ea s s e m b l i n ge r r o re f f e c tc a nr e a c ht o a b o u tlo ：a n dt h es t r e s s e sa r en o ts e n s i t i v et ot h et h eo u t e rr i n gs e a ls e a tg r o o v e r a d i u sw h e nt h er a d i u sv a l u ei sl a r g e rt h a n0 6 m m t h i sw o r kh a sp r o v i d e dab a s i so f t h eb e a r i n gi m p r o v e dd e s i g na n do p e r a t i o n a lm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：3 5 313 0 br o l l e rb e a r i n g ；c o n t a c ts t r e s s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：杈峰指导老师签名：茏力乙芗勿 日期：爰7 z ，营 日期：2 妒僭7 参罗 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下，课题组协作进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 承蟛务 日期：如7 。莎 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 背景 第1 章绪论 世界铁路在“货运重载、客运高速”的主题下快速发展。自1 9 7 8 年第一届国 际重载大会在澳大利亚佩思召开，重载运输从概念提出到蓬勃发展经历了一个 技术不断进步的过程，现己被国际上公认是铁路货运发展的方向，至今发展重 载运输的国家已经遍及五大洲和几乎所有的铁路大国。重载运输所取得的效益 已经由各国的实际数据充分证实。目前美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西、 瑞典等国，由于推行重载运输极大地提高了铁路劳动生产率，他们的铁路货运 收入均达到了历史上的最高水平。随着社会的进步，重载技术也得到一步步提 升。美国所有级铁路的标准轴重1 9 9 0 年后达到3 3 t ，通过长期的运行考核， 使用3 3 t 轴重货车运输，美国一级线路的维修成本从1 9 9 0 年到1 9 9 9 年9 年间 降低了2 5 。目前，美国、加拿大、澳大利亚的重载列车普遍采用3 5 4 t 轴重， 巴西、瑞典采用3 0 t 轴重，南非、澳大利亚昆士兰铁路是窄轨，采用2 8 t ( 旧车 2 6 t ) 轴重。俄罗斯重载列车轴重提高到2 7 t ，而欧洲铁路重载列车在向2 5 t 轴重 发展。同时，美国正在普韦布洛f a s t 环线上进行3 9 t 轴重的重载列车安全性运 行试验，累计通过运量已达1 2 5 亿吨【l j 。 长期以来，我国铁路在交通运输中占主导地位。中国铁路货车从上世纪8 0 年代以来，一直采用轴重2 1 t 、载重6 0 t 的技术政策。近年来随着重载运输技术 的发展，各种散装货物专用车、汽车专用车、钢材专用车等新型车辆逐步增多， 2 0 0 4 年7 月3 0 日，铁道部正式策划7 0 t 级新型货车工作。2 0 0 5 年3 月，首辆 7 0 t 级新型货车在中国北车集团齐齐哈尔车辆公司研制成功。2 0 0 5 年1 0 月，铁 道部要求：中国铁路货车从2 0 0 6 年开始，全部按照轴重2 3 t 、载重7 0 t 标准生产， 并要满足时速1 2 0 k m h 商业运行要求。 随着我国铁路运输向高速重载方向的发展，而结构强度可靠性与安全性技 术是其中关键课题之一【2 】。轴承作为铁路车辆行走部分的最关键部件之一，其 状况的好坏直接影响到车辆的行车安全，轴承的接触疲劳磨损现象在铁路滚动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 轴承运行过程中屡次发生，这对机车车辆的行车安全带来严重的威胁【3 】。经统 计，早在1 9 8 7 - - 1 9 9 9 年全路共发生热切轴事故1 2 1 件，给国家造成了重大的经 济损失【4 1 。如今重载战略的不断开展，重车车型的使用，热切事故更是屡见不 鲜【5 】。例如，2 0 0 7 年8 月5 日8 时4 6 分，郑州局8 5 热切轴大事故，造成货物 损失6 万元，直接经济损失约5 0 万元。2 0 0 8 年3 月1 9 日，武汉铁路局江岸车 辆段轮轴车间轴承预检员发现一7 0 吨货车轮对滚动轴承重大故障，消除了一起 热切轴重大事故隐患。 尽管铁路热轴探测技术发展很快，但类似8 5 热切轴大事故的发生仍是不 可避免，一旦发生事故则造成重大的经济损失和社会影响，v i 虹o rg e r d u n 【6 j 和徐 正龙【_ 7 】介绍了铁路轴承的一些常见问题及故障原因。所以从根本上消除热切轴 事故才是长远之策，消除热切轴事故的根源则需对轴承部件进行全面的分析。 本学位论文分别计算了c 7 0 、c 7 0 h 和c 8 0 b f 货车在直道和弯道运行载荷 条件下3 5 3 1 3 0 b 轴承滚子与内外圈滚道接触应力，进一步考虑了轮对制造装配 误差以及外圈牙口不同倒角对接触应力的影响。 本学为论文工作应铁道部运输局的要求开展。 1 2 现状 轴承( 西方人写作“b e a t i n g ”，日本人称“轴受”) 是当代机械设备中一种举足 轻重的零部件，在国民经济发展和国防建设中正起着越来越突出的作用，轴承 技术代表着世界整个工业的发展瞵j 。 然而在滚动轴承的设计与应用分析中，经常会遇到轴承的承载能力、预期 寿命、变形与刚度等问题，这些问题都与轴承的受力和应力分布状态密切相关， 这就需要引入力学知识。弹性力学问题分析方法可分为解析法与数值法两大类。 到目前为止，由于数学上的困难，对于类似轴承结构的复杂问题，唯一的求解 途径是应用数值法，求得问题的近似解。数值法又可分为两类：第一类是在解析 法的基础上进行数值计算。它的要点是对基本微分方程采用近似的数值解法， 如将微分改为差分，建立差分方程，即有限差分法；陈龙一j 和g a d a n g irk t l u j 用此法分析了轴承非线性油膜力模型。第二类是在力学模型上进行近似的数值 计算。它的基本点是将连续体简化为由有限个单元组成的离散化模型，再对离 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 散化模型求出数值解答，这类方法代表的就是近三十年随着大型高速数字电子 计算机的出现而发展起来的有限单元法。 经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法 迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富 多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元法在接触问题中的应用 始于6 0 年代末。1 9 7 0 年，w i l s o n 和p a r s o n 1 1j 首先研究了二维弹性无摩擦接 触问题的有限元解法。1 9 7 1 年，c h a n ，t u b a 【1 2 】和o h t e 1 3 】先后将有限元分析推 广到带c o u l o m b 摩擦的二维和轴对称的弹性接触问题，但这些工作均未考虑加 载过程中的不可逆性。在工程接触问题中，通常存在有摩擦力，而摩擦力所做 的功一般体现为能量耗散，它与加载路径有关。可见，若不考虑摩擦力的影响 或不考虑加载过程中摩擦功的不可逆性，就难以准确地反映工程接触问题。尽 管如此，上述研究工作，仍然是一个良好的开端。1 9 7 3 年，t s u t a 1 4 】等人提出 了一种基于载荷增量理论的有限元法，用于求解带摩擦的接触问题，较好地解 决了加载过程中的不可逆性，并成功地作了二维算例分析。1 9 7 6 年 f r e d r i k s s o n 巧】等人从理论上进行了较严格的推导，建立了弹性接触体的增量控 制方程，并用有限元位移法进行求解。1 9 7 9 年o k a m o t o 和n a k a z a w a 等人【1 6 j 从虚功原理出发，建立了增量控制方程及有限元解法1 9 8 2 年c a m p o s 和0 d e n 等人【1 7 】则从摄动变分原理出发，建立了接触问题的变分不等式，证明了解的存 在性。 在工程结构中，经常会遇到一类有间隙带摩擦的接触问题，崔俊芝【18 】对这 类问题给出了严格的数学描述，分别提出了非线性边界的椭圆型边值问题、凸 集上的变分不等式问题及凸集上的泛函极小值问题，并证明了它们的等价性。 m a z u r k i e w i c z 等人通过引入接触点对之间力与位移的刚度方程来解决这类问 题，并给出了有限元的算例。上述这些工作虽然较好地解决- j 力i 载过程的不可 逆问题及有间隙问题，但仅考虑了c o u l o m b 摩擦律。此外，由于摩擦力的存在， 使有限元方程中的刚度矩阵呈非对称性，从而将占用较大的计算机内存容量， 并降低计算效率。用有限元法求解不可逆的接触问题，与求解同等规模的非接 触问题相比，计算机内存及计算时间大大增加。为了克服这方面的缺点，1 9 7 6 年 f r e d r i k s s o n 提出了一种特殊的子结构方法，采用了混合标架，形成一组广义平 衡方程，然后将整个区域凝聚到接触点处。根据接触条件迭代求解，由于每次 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 迭代不需要重新形成刚度矩阵，因而降低了内存量与计算量。f r a n c a v i l l a ，冈山 纪明和陈万吉9 】提出了基于柔度法的混合法，或称广义子结构法，其凝聚后方 程中的未知量仅由接触内力组成，根据接触点的连续方程即可求得满足相应接 触状态定解条件的接触内力，这种方法所需的内存量及计算量更少。s a c h d e r a 进 一步发展了这种方法，考虑了滑动接触条件。另外，t s e n g 采用混合有限元法 求解接触问题，结果表明其数值精度比用一般有限元法求解更高。 然而在接触边界条件处理等方面最有代表性，最有影响的工作是将接触问 题考虑为有约束的最小值问题，用数学规划法与有限元法相结合的方法求解问 题。1 9 7 1 年t f c o u r y 和a s e i r e g 首先开展了这方面的工作。c h a n d 和h a n g 等人以及h a n g 和k w s k 等人采用二次规划有限无法求解无摩擦的接触问 题。f i s h e r 并l lm e l o s h 以及m a h m o u d 和s a l a m o n 也进行了这方面的研究工作。 钟成锶等人对上述问题采用变分原理与二次规划法，以及最小势能原理的有限 元参数规划法求解。接着，又对三维弹性无摩擦接触问题以及二维有间隙带摩 擦的弹性接触问题用上述方法进行了分析。k l a r b r i n g 研究了带摩擦的三维接触 问题的数学规划一有限元解法。上述最小值问题的另一种解法是罚有限元法， 将接触区的非嵌入条件作为惩罚项引入接触系统的总势能中，将约束变分问题 转化为罚优化问题来求解。与数学规划一有限元法相比，罚有限元法的优点是 只需对节点位移向量进行求解，而不必顾及接触力，故计算量相对减少。1 9 8 0 年，o h t a k a t e 和o d e n 等人从变分原理出发，建立了罚有限元方程，提出了一 种采用凝缩技巧的罚有限元法，用于求解无摩擦的弹性接触问题，从而减少了 内存量与计算量。罗继伟将子结构分析技巧引入罚有限元法中，研究了二维无 摩擦弹性接触问题，继而进一步研究多体接触的情况。数学规划一有限元法及 罚有限元法的优点是将原来的约束变分问题转化为最优化问题，从而应用数学 上较成熟的最优化方法求解问题。从理沦上讲，这两种方法求解的迭代次数最 小，但实际情况如何，尤其是在工程中的如何应用，目前还没有人进行过这方 面实质性的研究工作。 当前，利用有限元软件分析轴承问题是轴承计算的主要发展方向，国内有 很多学者从事这方面工作。在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元 分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 和a l g o r 等弘。但 现在还正处于发展阶段，对滚动轴承这种复杂结构的模拟还需要更多的努力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 刘宁等【2 i 】将空间问题简化为平面问题进行分析，采用平面应变的分析类型，同 时约束外圈外表面，内圈施加载荷；张业等【2 2 j 给出了二维、三维模型计算结果 并和理论计算进行对比；同时，大部分学者使用三维模型进行强度计算分析， 但其对边界条件进行了不同程度的处理，他们均以轴承内圈、外圈作为位移和 力边界条件的施加位置 2 3 - 31 】，而冯宪掣3 2 j 在分析计算中，将轴承座与轴承外圈、 轴与内圈看成一个整体进行简化。林峰等 3 3 j 使用局部模型技术解决了边界条件 的问题。常海燕【3 4 】在论文工作中完成了从静态分析到动态分析的转变。刘彦奎 【”】、黄龙发【3 6 】分别对圆柱滚子素线形状及凸度和轴承内外圈沟道形状做了优化 设计。另外，在轴承装配方面，使用有限元分析软件模拟轴承压装的整个过程 3 7 - 3 9 】。另外，张永群4 0 】建立了圆锥滚动轴承应力预测分析模块，可以在a n s y s 中直接调用，陈锦江1 4 l j 研制开发了基于m a t l a b 和a n s y s 软件平台的轴承数字 化设计原型系统，能够完成高速陶瓷球轴承和普通球轴承结构参数的设计。然 而在国外，有限元分析辅助设计在许多大的轴承公司发展的比较成熟，都具备 自己开发整套的设计软件，有自己的设计准则，但技术细节保密。例如，t i m k e n 已经开发了一种先进的非线性有限元分析法，采用它能予测变速箱轴承的性能 4 2 1 。除上述方面外，轴承的热计算和动力学计算也正在不断发展与完善【4 。 1 3 本文工作 本学位论文结合铁道部项目要求，主要完成以下工作： ( 1 ) 对现有3 5 3 1 3 0 b 轴承接触失效故障进行了调研，掌握了该轴承的主要 接触失效模式。同时给出了接触疲劳失效的定义，并经调查内外圈剥离是铁路 轴承的主要失效原因； ( 2 ) 分别建立了c 7 0 、c 7 0 h 和c 8 0 b f 货车轮轴系统的力学模型和a n s y s 有限元整体与局部分析模型，并且重点分析部位的材料属性采用弹塑性本构关 系； ( 3 ) 分析了三种货车在直道和弯道运行瞬时载荷条件下3 5 31 3 0 b 轴承滚子 与内外圈滚道接触应力及分布规律。考虑轮对制造装配误差以及外圈牙口不同 倒角对接触应力的影响，分析了三种货车在直道和弯道运行瞬时载荷下 3 5 3 1 3 0 b 轴承滚子与内外圈滚道接触应力及分布规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章3 5 3 13 0 b 轴承失效现状调查 2 13 0 31 3 0 b 轴承接触失效故障 211 故障1 2 0 0 7 年5 月7 日1 5 时2 6 分，4 0 7 6 7 次货物列车( 编组1 0 辆) 运行至哈尔 滨局管内汤林线伊春站时，红外线预报机次l 辆c 7 0 h 1 5 0 1 9 9 8 运行方向右2 位 ( 现车6 位) 轴位3 ，经列检人员检查，该轴实测轴温2 8 0 度，密封罩变形、破 损，轴承甩油，起轴转动时轴承严重卡滞，轴承退卸后发现保持架融化。 图2 - 1 伤损轴承全貌图2 - 2 轴承外圈滚道面剥离 氐；叠 图2 - 3 外罔外表面的“斑点” 故障轴承所在车辆为株洲厂制造，转向架形式为k 5 ，故障发生时车辆为重 车。 此伤损轴承全貌见图2 - 1 ，外圈有一处4 5 r a m x 3 4 m m x l o m m 的剥离，具体 形貌见图2 - 2 ；另外，如图2 - 3 中所示外圈外表面发现有四处圆形“斑点”，分别 圈拳 西南爻通大学硕士研究生学位论文第7 页 如图中箭头所指。 212 故障2 2 0 0 7 年9 月3 日8 时0 5 分，8 3 9 2 3 次货物列车( 编组4 2 辆) 运行至昆明 局管内沪昆线小鸡街一格以头间k 2 4 8 0 + 2 0 0 m 处，机后第2 7 位车辆( 车号c 7 0 1 5 0 1 5 0 7 ) 运行方向左i 轴( 现车7 位) 发生热切轴。切轴的轴承类型为3 5 3 1 3 0 b ， 轴承编号为3 5 3 1 3 0 bc d0 6 0 60 0 8 8 7 3 ，生产单位为成都天马轴承有限公司。 故障轴承所在车辆为株洲厂制造，故障发生时车辆为重车。 如图2 - 4 为伤损轴承全貌，在退卸后发现外圈外表面存在两道环形擦伤带 ( 图2 - 5 a ) 。外圈外表面上存在小孔，如图2 5 b 箭头所指，同时，轴承外圈滚 道面剥离形貌见图2 5 c 。 图2 - 4 伤损轴承全貌 砷去掉承载鞍后的外圈b ) 外罔外表面上的小孔c ) 轴承外圈滚道面剥离 幽2 - 5 伤损轴承局部形貌 对此次事故铁科院金化所对外圈进行了检验分析4 ”，分析结果指出在外固 剥离及凹坑位置的金相组织均出现了明显异常，曾承受过热的作用，并得出热 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 源来自于外圈与承载鞍之间的滑动摩擦的结论，另外，分析对外圈牙口部位进 行了视频显微观察，如图2 - 6 ，该轴承外圈牙d 的两个底角均为直线过渡( 如箭 头所指) ，不符合图纸3 5 3 1 3 0 b 型轴承外圈牙口的两个底角应为r 06 的圆角的 要求。 7 1 、 躅2 - 6 外霸牙口的视频显微图 同时，s k f 公司也对此次事故进行了调查，并发现在牙口倒角处产生了 裂纹，如图2 7 所示，为观察位置及对应位置的裂纹形貌。 b a 1 观察位置b ) 位置a 裂纹形貌c ) 位置b 裂纹彤貌 图2 7 观察位置及对应位置的裂纹形貌 2 13 故障3 2 0 0 7 年1 1 月6 日1 2 时4 3 分，2 5 0 5 9 次列车运行至落坡岭下行时，红外线 预报机后2 位右1 轴承微热( 轴温6 58 c ，温升5 34 ) ，1 3 时0 3 分该车运行 至珠窝东下行时红外线预报该轴承强热( 轴温7 71 ，温升6 4l ) ，司机鉴定 甩车，经列检人员检查决定扣车换轮。经外观检查，轴承后密封装置部分凸出， 轴承卡滞无法转动，外圈表面两侧各有一条与承载鞍摩擦后留下的明显蓝色痕 迹。 故障轴承所在车辆为株洲厂2 0 0 7 年9 新造，转向架形式为k 5 ，故障发生 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 时车辆为空车。该轴承为南口斯凯孚铁路轴承有限公司2 0 0 7 年6 月新造。 从轴承外圈外表面、承载鞍配合面以及轴颈都出现环形擦伤亮带( 图2 8 ) 而轴承内部，后排滚子破碎、外固发生严重剥离( 图2 9 ) 。 a ) 故障轴承b ) 配合的承载鞍c ) 轴承退卸后的轴颈 图2 8 事故轴承导致相关部位擦伤全貌 a ) 故障的后排滚子b ) 外圈滚道面剥离c ) 剥离全貌 图2 - 9 事故轴承内部故障图片 从上述故障可以看出，3 5 3 1 3 0 b 轴承失效具有如下特点： ( 1 ) 三起故障均发生外圈剥离现象，说明外圈为整个轴承的薄弱部位 f 2 1 故障轴承外圈与承载鞍配合存在不完善； ( 3 1 轴承外圈制造质量控制存在不严。 22 铁路轴承的常规接触失效模式 为了建立3 5 3 1 3 0 b 轴承的正确分析方法，课题组于2 0 0 7 年1 2 月赴成都天 马轴承厂调研了各类返修轴承的失效情况，如图2 - 1 0 所示除去材料缺陷、制 造缺陷、意外碰伤或承载鞍制造与配合缺陷，铁路轴承的主要失效特点为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 1 ) 外圈滚道与滚子接触剥离失效：剥离点为滚子两端与滚道的接触点，其 中轴端外侧接触点为多。这是普通转向架、径向转向架货车列车左右摆动运行 中，总给轮轨接触力大端的承载鞍以向外的横向力。 ( 2 ) 内圈滚道与滚子接触剥离失效：剥离点为滚子两端与滚道的接触点，其 中也轴端外侧接触点为多。原因同上。 23 小结 a ) 外圈滚道面剥离图b ) 内圈滚道面剥离崮 图2 - 1 0 事故轴承内部故障图片 根据调研结果，针对3 5 3 1 3 0 b 轴承故障和铁路车轴轴承的失效，可以得到 了如下结论： ( 1 ) 3 5 3 1 3 0 b 轴承的故障模式主要是，外圈牙口与滚子接触处发生剥离。同 时，轴承外圈与承载鞍的配合质量存在缺陷和制造质量控制存在不严格； ( 2 ) 排除材料、制造、装配缺陷和意外损伤，内外圈滚道与滚子两端接触部 位剥离，是铁路轴承的主要失效模式。而且，由于铁道车辆蛇行等服役特点， 内外圈外侧是首先容易发生失效的部位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第3 章轮轴系统计算模型 3 2c 7 0 货车 3 2 1 力学模型 考虑到检测所得轮轨接触力已包含惯性力影响，正常运行工况的任意时 刻，c 7 0 货车轮轴系统“车轮一车轴一轴承一承载鞍组件”，轮轨接触力、侧架 传给承载鞍组件的力和系统重力构成图3 1 所示平衡力系。 墨 i l- 一j 只 撼一 一 f 1 r1 夏 墨 ，j一 ：m g - 。1 1 幺 岛 鹃 冀 一一 图3 1 整体分析力学模型 平衡力系采用如下策略求解： 以= o ：y 1 y 2 + h l - h 2 - 0 ( 3 - 1 ) 兄= o ：q l + q 2 - p 1 - p 2 - m g 2 0 ( 3 - 2 ) m 。 ，= o ：( p i - p 2 ) x l + ( q 2 - q 1 ) x 2 + ( h e - h i ) z l + l y 2 ) z 22 0 ( 3 - 3 ) 考虑到实际情况，横向力由上衬板与侧架之间产生的摩擦力提供，其大小 与正压力成正比，因此存在关系式： p 1 h l = p 2 h 2 = 常数( 3 - 4 ) 式中p l 、p 广轴箱左右侧垂向载荷； h 卜h 广轴箱左右侧横向载荷； q l 、q r 轮轨左右垂向力； y l 、y r 轮轨左右横向力； m 轮对和轴箱质量； x l 一橡胶垫上衬板项面中心与车轴对称截面的距离； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 r l 2 轮距： z l 一橡胶垫上衬板横档面中心距车轴的距离 z r 一车轮半径。 几何参数见表3 - 1 。 表3 - 1 几何尺寸参数表 x ix 2z lz 2 r 9 9 05 m m7 4 65 m m1 8 9 m m4 2 0 m m7 0 m m 3 22 有限元模型 受计算机能力及计算时间限制，一次性实现包含轴承滚子与滚道接触细节 的有限元计算分析有相当难度。为此，这里利用a n s y s 有限元分析软件的功 能，采用先把轴承视为实体，实现轮轴系统“整体性分析”；然后在轴颈部位截 出包含轴承的局部，整体分析中获得的截面应力与应变位移作为边界条件，考 虑轴承滚子与滚道接触细节，进行“局部分析”，达到对轴承滚子与滚道接触应 力进行分析的目的。 1 整体分析 c 7 0 货车使用k 6 型转向架。整体性分析把轴承视为实体忽略轴承滚子接 触等具体力学原理，如图3 - 2 所示，轮轴系统“车轮车轴。轴承一承载鞍组件”构成 整体网格模型。其中，实体采用类型为s o l i d 4 5 单元，整个模型共划分约1 2 2 0 0 0 个节点，1 7 7 0 0 0 个单元。 图3 2c 7 0 货车轮轴系统整体有限元网格模型 西南交逢大学硕士研究生学位论文第1 3 页 鬟 图3 - 3c 7 0 货车侧架向承载鞍上衬板的传力方式 c 7 0 货车装配k 6 型转向架，侧架传来的力采用图3 - 3 所示方式作用于承载 鞍上衬板。同时，为了与实际情况相符，轨道底面采用全位移约束。 2 局部分析 考虑轴承滚子与滚道接触细节，如图3 - 4 所示，从距离轴端2 1 0 r a m 的轴颈 处截出轴承，实现对轴承滚子与滚道接触应力的分析。其中，实体采用s o l i d 4 5 单元，轴承滚子与内外圈接触单元类型为t a r g e l 7 0 和c o n t a l 7 4 ，总计约 1 2 2 0 0 0 个节点，1 3 4 0 0 0 个单元。 曲3 - 4 周都计们地恬慢型 3 1c 7 0 h 货车 3 1 1 力学模型 与c 7 0 货车轮轴系统力学模型的建立思路类似，正常运行工况的任意时刻， c 7 0 h 货车轮轴系统“车轮一车轴轴承一承载鞍组件”，由轮轨接触力、侧架传 给承载鞍组件的力和系统重力构成了图3 - 1 所示平衡力系。不过，由于c t o h 货 车采用转k 5 型转向架，其侧架传给承载鞍组件的传力方式与c 7 0 货车不同， 见图3 - 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 图3 5c 7 0 h 货车侧架向承载鞍的传力原理图 如图3 - 5 所不，是摩摞角，在无滑动接触条件f ，有： 啦鲁( 3 - 5 ) 当临界摩擦系数取为0 3 时，其值为8 5 3 0 。a 是侧架摆角，在无滑动接触条件 下，, o - a 具有如下关系： 8 0 = 7 0 仁+ ) ：= 7 a ( 3 - 6 ) 当摇动座中心线与承载鞍支撑座中心线重合时，作用点横摆距离l 和高度可由 下式计算： = r s i n a + r s i n , 8 ( 3 7 ) z 32 r c o s a + r c o s f l ( 3 8 ) 由图3 1 结合图3 - 5 ，可以得到如下关系： h t = c - c 。s ( 8 口) + e s m ( 8 口) ( 3 - 9 ) 置2 - f , ls i n ( 8 a ) + f 1c o s ( 8 a ) ( 3 1 0 ) h 2 = - f t 2c o s ( 8 a ) 一c 2s i n ( 8 口) ( 3 1 1 ) 罡2 - f , 2s i n ( 8 a ) + f , 2c o s ( 8 a ) ( 3 12 ) 平衡力系采用如下策略求解： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 如= o ：巧一e + 日l 一何2 = o f z = o ：q l + q 2 一m g 一日一最= o ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 一曷g 。一l ) + p 2 ( x 。+ 三) + ( q 。一q ：b 2 + 0 7 。一h 2 ) ( z 。+ z 3 ) + ( 砭一x ) z ：= 0 ( 3 1 5 ) 考虑到实际情况，两摇动块摆动的角度被认为是相等的，因此存在关系式： f t l f n l = f t 2 f l l 2 = 常数 ( 3 1 6 ) 式中p l 、p 2 一轴箱左右侧垂向载荷； h 卜h 2 _ 轴箱左右侧横向载荷； q l 、q 2 _ 轮轨左右垂向力； y 1 、y r 轮轨左右横向力； m 一轮对和轴箱质量； f 广摇动块作用在承载鞍的切向力； f 一摇动块作用在承载鞍的法向力。 r 一摇动块底面接触圆弧半径； x l 一承载鞍顶面中一i i , 与车轴对称截面的距离； x 2 1 2 轮距； z i 一承载鞍项面中心距车轴的距离； z 2 r 车轮半径； z ，一摇动块上摆高度； l 摇动块横摆距离。 几何参数见表3 2 。 表3 2 几何尺寸参数表 3 1 2 有限元模型 同c 7 0 货车轮轴系统分析，这里仍然采用从“整体分析”到“局部分析”获得 轴承滚子与滚道接触应力的分析策略。 1 整体分析 视轴承为实体，c 7 0 h 型货车轮轴系统包括“车轮一车轴轴承承载鞍组件” 的整体有限网格模型见图3 - 6 ，其中实体网格划分均采用s o l i d 4 5 单元，整体 模型共划分约1 2 2 0 0 0 个节点，1 7 7 0 0 0 个单元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 - 6c 7 0 h 货车轮轴系统整体有限元网格模型 某瞬时c 7 0 h 货车侧架通过摇动块向承载鞍传力的方式见圈3 - 7 。同时，为 了与实际情况相符，轨道底面采用全位移约束。 参 侉 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 3c 8 0 b f 货车 33 1 力学模型 c 8 0 b f 货车采用转k 7 型转向架。与建立c 7 0 货车轮轴系统力学模型的思 路类似，列车正常运行工况的任意时刻，c 8 0 货车轮轴系统“车轮一车轴轴承 一副构架组件”中的轮轨接触力、侧架传给副构架橡胶堆的力、副构架连接杆的 力和系统重力构成图3 - 9 所示平衡力系。 c ! 图3 - 9c 8 0 b f 货车轮轴系统力学模型 图3 一1 0 连接杆角度确定模型圈图31 1c 8 0 b f 货车删架的力学模型 连接杆的传力原理如图3 1 0 所示。同时，如图3 1 1 所示，c 8 0 b f 货车侧 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 架向副构架橡胶堆的传力大小及原理考虑如下： 侧架作用在橡胶堆a 、b 上的横向合力f d 2 、f d 4 在2 个橡胶堆上平均分配 即f d 2 。= f d 2 b 、f d 4 a _ f d 4 b 。而侧架作用在橡胶堆a 、b 上的垂直合力f d l 、f d 4 则考 虑侧架截面模量变化和变形协调条件，按图3 1 1 所示施加均布载荷，开展有限 元分析，分别读取每个橡胶堆的弹簧单元变形量，从而得到a 、b 两橡胶堆垂 向力分配比例近似为1 ：1 1 2 5 7 0 1 7 8 。 进而将连接杆及拉压力f l i 、f l 2 视为平行于轨面，c 8 0 b f 货车轮轴系统平 衡力系的求解方法如下： b = o ：f l l c o s ( c ) + f l 2 x c o s ( a ) 一( f d 2 a + f d 2 b ) - ( f d 5 a + f d s b ) + f g 2 - f g s = 0 ( 3 17 ) 耳= 0 ：f l l x s i n ( c ) - f e e s i n ( a ) + f d 3 a + f d 3 b + f d 6 。+ f d 6 b + f g 3 一f c , 6 = 0 ( 3 1 8 ) 疋= o ： f d l 。+ f d l b + f d 4 a + f d 4 b + m g f g i f 饼- - 0( 3 - 1 9 ) m 伽= o ：( f l l x s i n ( c ) 一f l 2 x s i n ( a ) ) x z i 一( f g 3 - f g 6 ) x z 2 一( f d 4 a + f d 4 b + f d 6 。+ f d 6 b ) x z 3 一( f d l a - f d i b + f d 4 a - f d 4 b ) x y 2 = 0 ( 3 - 2 0 ) m o y = o ：( f d l a + f d l b - f d 4 a - f d 4 b ) x l + ( f c 4 - f g i ) x 2 + ( f d 2 a + f d 2 b + f d 5 a + f d 5 b ) z 3 + ( f g 2 - f g s ) x z 2 一( f l i x c o s ( c ) + f l 2 x c o s ( a ) ) x z i = 0( 3 - 2 1 ) m o z = o ：( f l l c o s ( c ) + f e e c o s ( a ) ) y l + ( f l l s i n ( c ) + f l 2 s i n ( a ) ) x 3 2 - ( f g 3 一f c , 6 ) x x l = 0r 3 2 2 ) 假设两轮对及相应副构架沿轨向存在相同的加速度，且两拉杆存在有相同的弯 曲变形趋势，则两拉杆力沿轨向分力大小相等方向相反，沿垂向分力大小相等 和方向相同，有： f l lx s i n ( c ) 一f l 2 x s i n ( a ) = 0 ( 3 2 3 ) f l 3 一e l 4 = 0( 3 - 2 4 ) 另外由于侧架对复构架的横向力是通过摩擦力来实现的，故存在比例关系， ( f d l a + f d l b ) ( f d 2 a + f d 2 b ) ( f d 3 。+ f d 3 b ) = ( f d 4 a + f d 4 b ) ( f d 5 a + f d s b ) ( f d 6 。+ f d 6 b )( 3 2 5 ) 式中a 一拉杆与副构架所成角度； 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 卜过弯道时两副构架所成角度： 卜压杆与副构架所成角度； x l 一同侧橡胶垫顶面两中心的中点与坐标原点在x 方向的距离； x 2 一轮轨接触斑中心到坐标原点在x 方向的距离； x 3 一两拉杆和副构架铰接中心距离； y l 一拉杆和副构架铰接中心到坐标原点在y 方向的距离； y 2 一内侧橡胶堆到坐标原点在y 方向的距离； z l 一拉杆和副构架铰接中心到坐标原点在z 方向的距离； z 广滚动圆半径； z 3 一同侧橡胶垫顶面两中心的中点与坐标原点在z 方向的距离； f d l 、f d 4 一作用在左右两侧橡胶堆上的垂向合力； f 小f d 5 一作用在左右两侧橡胶堆上的横向合力； f d 3 、f d 6 - 作用在左右两侧橡胶堆上的纵向合力。 具体几何尺寸见表3 3 。 表3 - 3 几何尺寸参数表 兰! ! 型坠茎2 1 望兰翌苎! 望里翌￥! ! 望竺里丝! 望兰里圣! ! 望翌翌垒尘塑垄! 望! 坐璺竖里 喜薹9 9 0 s 7 4 6 55 2 - 6 6 32 5 53 5 4 2 。3 8 茏2 2 3 9 6 5 2 5 5 8 。o 哪0 3 4 4 2 舶2 9 2 5 5 8 5 8 。0 3 3 2 有限元模型 同c 7 0 、c 7 0 h 货车轮轴系统分析，这里仍然采用从“整体分析”到“局部分 析”获得轴承滚子与滚道接触