高速铁路机车圆锥滚子轴承凸度与动态性能概述

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1、高速铁路机车圆锥滚子轴承凸度与动态性能概述第1章绪论1.1研究目的及意义铁路客车圆锥滚子轴承在工作过程中主要承受以径向为主的径、轴向联合作用的负荷，而由于轴承设计的不合理，在高速运转过程中滚子与滚道接触的两端容易出现应力集中，形成边缘效应，这种效应加速了滚子与套圈之间的磨损，造成轴承的过早失效[5-7]。在实际设计中保持轴承基本尺寸不变的情况下，对滚子的结构进行适当的优化设计，即通过设计合理的凸形和凸度量来降低应力集中，改善滚子与滚道接触的应力分布和动态性能[8]。在高速条件下，圆锥滚子轴承各部件的动态特性决定了轴承的工作性能，转速

2、的提高，滚子的离心率增大，与圈体的接触应力也随之增大，对轴承造成较大的冲击。目前，利用CAE技术对滚动轴承进行动力学仿真检验已经成为滚动轴承研究的发展趋势，可以从理论上对滚动轴承的运动特性进行分析研究，有利于从轴承内部的运转机理探索轴承的失效及故障原因[9-13]。本文结合圆锥滚子轴承实际工况，借助有限元分析软件ANSYS和显式动力学仿真软件ANSYS/LS-DYNA分别对圆锥滚子凸度及轴承的动态性能进行分析。确定轴承合理的凸形及凸度量，研究滚动轴承的运动状态特性，以便从内部机理探索滚动轴承的故障发生机理和特征，在结构优化的基础上，

3、对轴承进行小批量生产，按照试验规范对轴承进行温升性能试验，验证其高速性能，为高铁轴承的优化设计提供可靠的依据。本研究得到了十二五国家科技支撑计划项目（2011BAF09B01）的资助。1.2高速铁路轴承技术发展现状轴箱轴承作为铁路客车的关键零部件之一，同样也是高速铁路客车最易损坏部件之一。而铁路客车轴承的使用寿命和可靠性直接影响着铁路客车的性能、质量和安全[14-16]。国外对高速铁路用轴承进行了非常系统的研究，目前国际上生产高速铁路轴承的公司主要有德国的FAG、瑞典的SKF，美国的TIMKEN以及日本的NTN和NSK。其中，SKF

4、和TIMKEN的轴箱轴承在全世界应用最广，在设计方面主要利用CAE软件对高铁轴承的力学模型和动力学模型进行有限元分析和应力计算，并对其产品的结构和主参数进行了优化设计，保证了产品的性能、寿命与可靠性；设计采用了塑钢保持架，显著降低了轴承的摩擦，缓和了滚子的滑动与磨损，降低了轴承运转的温度，提高了安全性[17]。其中SKF的产品还设计安装了监控速度和轴承状态的内置传感器；在密封方面，多数轴承采用了新型的内置式低接触密封，这种密封以低摩擦橡胶密封原理为基础，组合使用了迷宫式密封和唇形密封，大大改善了对污染的防护能力，明显降低了润滑油的泄

5、漏，有效地提高了轴承的寿命[18]；在轴承材料方面，SKF通过严格控制轴承钢中的残余奥氏体含量，防止因内圈尺寸的增大引起内圈与轴的配合过盈量减小，而导致内圈与轴颈产生微动磨损，日本采用真空熔炼技术降低氧化物杂物，提高轴承钢的使用寿命；在试验方面，在轴承试验方面，国外专门设计研制了试验试验机对高速铁路客车和城市轨道交通车辆轴承进行了系统全面的台架试验，主要包括轴承动态仿真载荷试验（THISBE试验台）、轴承疲劳试验、轴承耐久性试验以及轴承的环境模拟试验等，保证了轴承的高可靠性[19]。SKF与FAG共同研制了时速550km的高速铁路轴

6、承试验台，可以真实模拟铁路轴承的实际运行工况并测试高速铁路的综合性能。FAG高铁轴承试验台AN46可以模拟强风下轴承的可靠性；在轴承制造方面，国外轴承已成功地解决了高速铁路客车和城市轨道交通车辆轴承的热处理和制造难题，所生产的轴承精度达到P4级以上，其中关键的粗糙度、尺寸与形位精度甚至达到P2级，并形成了批量化的生产[20]。第2章双列圆锥滚子轴承的结构特性与受力分析2.1双列圆锥滚子轴承的结构形式分析轴承是高速铁路和城市轨道交通车辆的关键旋转支承基础件，要求具有长寿命、高精度和高可靠性。而双列圆锥滚子轴承因其形状独特，结构紧凑，负

7、载性能好，刚性强及使用寿命长等优点被广泛应用在铁路机车中。这种轴承不仅可以承受较大的径向载荷，还可以承受一定的轴向载荷，更重要的是能够运行在较高的速度上还能保持较高的可靠性。另外，该轴承安装调试方便，在轴承两内圈中间加一个中隔圈可以实现轴承的预调，简化了游隙和预紧的调整，双列圆锥滚子轴承有外向双列圆锥滚子轴承和内向双列圆锥滚子轴承两个类型，其结构如图2-1所示。本文以高速铁路客车3522262型内向型双列圆锥滚子轴承为研究对象，其结构特点及基本尺寸如图2-2和表2-1所示，由两个单滚道内圈、一个双滚道外圈以及用于调整游隙的内外隔挡圈

8、、两列圆锥滚子和保持架构成。在正常运转时，内外圈及滚子主要承受载荷，保持架主要起分离滚子和保持稳定的作用，隔挡圈主要用于调整游隙。2.1.2双列圆锥滚子轴承的结构特性由于圆锥滚子与滚道之间的接触为线接触，这样圆锥滚子轴承具有很大的承载