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摘要：轴箱轴承是轨道车辆中极为重要的行走支承部件，其性能和质量对轨道车辆的性能与安全性影响很大，因此在装车前必须对轴箱轴承进行各方面的性能测试。设计轴承综合性能试验台是为了适应高速铁路发展的需要，本文研究的轨道车辆轴箱轴承试验台，提供了一种可行的方案，可以模拟实车运行，进行轴箱轴承的性能对比测试，并在此基础上利用Ansys动力学仿真分析软件，仿真出轴承元件随载荷和速度变化的应力变化以及疲劳特性，对轴承的试验研究提供必要的数据和支撑。

关键词：轴承试验台；轴承；动力学分析；疲劳分析

一、轴承综合性能试验台原理及结构介绍

轴承综合性能试验台由机械系统、液压伺服系统、电气系统、测控系统、润滑系统、监控系统及必要的辅助设备等组成。试验车轴用两个支撑轴承座支撑，被试轴承安装于试验车轴的两端，载荷通过轴箱施加至被试轴承上能够模拟实际使用情况进行不同工况条件下轴承的急加减速试验及耐久性试验，能够进行轨道谱载荷试验，能够在试验过程中记录轴箱体温度和振动等多个重要参数，以分析轴承的摩擦磨损性能、抗疲劳性能。试验台采用液压伺服加载系统提供径向及轴向加载载荷，整个系统由伺服控制器、伺服油缸、伺服阀、传感器和液压油源组成，试验台工作原理；轴承综合性能试验台机械系统主要由轴向加载装置、轴箱组件、支撑轴承座、皮带轮装置、车轴组件、径向加载装置等组成。

主轴系统是轴承试验台重要的子系统之一，其作用是承受径向和轴向的加载力，同时连接驱动装置，提供需要的转速。而支撑轴箱和被测轴箱又是主轴系统的关键部分，被测轴箱主要是将试验需要的轴向力和径向力加载到被测轴承上，进行轴承的性能测试，支撑轴箱主要是将主轴系统受到的作用力通过支撑轴承传递到试验机的底座上。因此，支撑轴箱内的支撑轴承和被测轴箱内的被测轴承就是整个主轴系统中两个主要的受力零部件。

二、双列圆锥滚子轴承有限元模型的建立

本文以SKF 生产的TBU-BT2-8545-AD 型双列圆锥滚子轴承进行建模。考虑到pro/e等三维制图软件在建立轴承模型后，导入ANSYSY 后尺寸较小的部位会出现变形，尤其对于圆锥滚子轴承，滚动体尺寸的偏差会产生应力集中现象，直接影响轴承的应力分布。最终利用直接建模法——自底向上建模，即先建立关键点，由关键点之间的连线构造关键的线段，线段围成所需要的面，最终面面结合成实体。

2.1轴承有限元网格划分

采用SOLID164 单元划分网格，（由于该单元类型没有旋转自由度，在动力学分析过程中，无法定义内圈转速，并且保持架无法绕轴线方向公转。所以对滚动轴承的内圈内表面及保持架内表面用壳单元SHELL163 再进行网格划分，并定义这两个表面为刚性表面，限制其他所有自由度只留下绕着轴线转动的自由度。这样就解决了SOLID164 单元不能定义转速的问题。）

轴承共存在三部分接触。第一部分为滚动体与内圈滚道间的接触；第二部分为滚动体与外圈滚道间的接触；第三部分为滚动体与保持架兜孔之间的接触。将这三部分接触采用面面接触方式进行定义，在定义时滚动体与这三个部件接触时，均选择圆锥滚动体为目标面，选内外滚道及保持架兜孔为接触面。每一滚动体都定义三对接触，整个双列圆锥滚子轴承共建立108 对接触。为了与实际工况相符合，考虑摩擦因素的影响，在LS-DYNA 中的摩擦系数通过库伦摩擦力公式计算，将轴承润滑及材料之间的摩擦系数综合考虑后，确定各部件之间的摩擦系数如表1 所示。

对双列圆锥滚子轴承进行加载，载荷主要分为径向载荷及轴向载荷，在高速列车轴箱轴承的正常运行过程中，轴承的径向力载荷主要是由车厢及走形部的重量传递给轴承圈的，并且该径向力的大小与方向几乎不发生变化，方向是垂直于轮对与钢轨接触表面的；并且轴箱轴承还需要承受部分轴向力，轴向力的大小大概为径向载荷的0.2～0.3 倍，于我国高速列车CRH5 型列车的车轴轴重为16t，每根轴上配套安装两组双列圆锥滚子承单元。每个轴承承受的径向力与轴向力均设为恒定值：径向力大小为8t，即80KN，轴向力大小则为24KN。径向力大小均加载在轴承外圈上半圈节点上，轴向力加载在内圈面的节点上。在添加转速载荷时，按照高速列车的运行速度为250km/h 进行模拟仿真。以CRH5 型动车组为例，其轮对直径大小为Φ915mm。通过运行速度计算出内圈的转速为1475r/min。则假设列车匀速直线运行，速度不变，将该转速载荷直接加载轴承内圈的刚性表面上。为了避免在仿真刚开始存在不稳定的阶段，在加载过程中，对轴承径向载荷及轴向载荷及转速载荷均采用分步载荷进行施加，在0～0.001s内将轴承的径向载荷从0以斜坡加载的方式加载到80KN，同样的以斜坡加载方式将轴向载荷从0N 增加到24KN。对于转速的加载，也是设置在0～0.001s中内，内圈的转速从0r/min 逐渐增加到1475r/min。

三、不同工况下轴承应力分布分析

3.1载荷对高速列车轴箱轴承动态特性的影响

轴箱轴承在高速旋转过程中会产生离心力，离心力会增大滚动体与内外圈之间的接触力，滚动体与内圈接触力增加后引起摩擦力增大导致滚动体与内外圈滚道附近的温度升高，加快轴承磨损。本节分别从轴向及径向力对轴承应力的分布的影响进行研究。

（1） 径向载荷对轴承动态特性的影响

列车运行过程主要承受径向载荷，所以研究不同径向静载荷下高速列车轴箱轴承的动态特性对进一步改进轴箱轴承寿命有指导意义。

轴承在两种不同的径向载荷下两列滚子的接触载荷。双列圆锥滚子轴承两列滚动体的受力是不同的。

查看径向载荷对轴承接触载荷的影响时，选取受力小的一列滚动体进行分析，如图2表示圆锥滚子轴承在不同径向载荷、相同轴向载荷下轴承内圈与滚动体之间的接触载荷。

通过图中可以看出随着径向载荷的不断增加，滚动体与内圈之间的接触载荷也随之增加，

随着径向载荷的不断升高，轴承承受载荷的滚动体数目也不断增加。

接触载荷的大小及变化直接影响轴承内部元件的接触应力，由于轴承在运动过程中每个内部元件的应力变化复杂，应了解轴承各元件在运动过程中的应力变化状态。利用ANSYS 有限元查看整体的应力图分布如图3.3 所示，选取某一时刻对高速列车轴箱轴承简化模型的应力云图进行查看。从图中可以看出由于应力最大处集中在轴承上半区，验证了轴承上半圆周是主要承载区域，尤其是在外圈内滚道上母线应力最大，从图中对比最大应力可以得出滚动体所受应力最大，即与实际运行中滚动体损伤是轴承破坏的主要失效形式相吻合。

3.2轴向载荷对轴承动态特性的影响

轴向力的主要来源就是由于列车转弯，或者通过道岔时产生的轴向力。轴承受到轴向力较小，但是轴向力并非是个恒定力而是一个交变力。参考欧洲轴承实验标准EN12082 的实验轴承的标准，给轴承施加0.1Hz 频率的交变轴向力进行性能实验，实验过程中对力的要求如图3 所示。

为更充分的研究高速列车轴箱轴承在不同径向载荷情况下的动态特性。则以不同时刻轴承的最大应力为参照，对不同载荷下的轴承的最大应力进行对比分析，以0.001s 为时间间隔对轴承各部件最大应力进行采样，绘制如图4所示的应力曲线图。

从图4 中可观察出随着径向力的增大，轴承各部件的应力趋势也随之增大，图中个别点的应力并未完全吻合上升趋势，是由于轴承在运动过程中内部元件之间相互碰撞，接触面小产生应力集中现象，导致个别节点应力突增。但应力分布规律基本上还是随着径向力的增大而增大的。

本文为模拟列车实际工作状态，对轴承施加一个交变的轴向力。主要从两个方面对轴承动态特性进行研究，一方面对于轴向载荷大小进行分析；另一方面对交变轴向载荷的交变频率来探究轴承的动态特性。为探究不同轴向力对轴承应力分布的影响，选择三组轴向力进行动力学仿真，并通过轴承最大应力曲线图来观察轴承轴向力对应力分布的影响。

从图5 中可以看出高速列车轴箱轴承的最大应力是随着轴向载荷的增大而增大的。这种规律的原因是随着轴向载荷增大，会加大轴承内滚动体与内圈及保持架之间的擦，接触力增大，这样会使滚动体发生偏斜，轴向力越大，滚动体的偏转角度越大，滚动端面理想是面接触，发生偏转变成线接触甚至点接触，导致滚动体与各滚道之间的接触积减小，引起应力集中导致应力增大。另一方面是交变频率对应力的影响，但由于高速列车轴箱轴承轴向交变频率为0.1Hz，即轴向力每10s 改变轴向力方向。在进行有限元动力学时，由于模型的网格节点数多，10s以上的有限元仿真计算量巨大。本文无法具体对轴向力频率对应力的动态特性进行探究，但由于交变频率较低可以推测交变频率对轴承应力影响较小。

利用经过验证的有限元动力学模型，对不同工况下的轴承进行仿真分析，分析载荷及转速对轴承应力分布的影响，通过应力随时间变化曲线，得出轴承内部元件动态下应力无明显规律，但通过对比各部件的应力曲线，滚动体的在应力值最大且变化浮动较大，是轴承中最易受损部件。

结语

本文提出一种轴承综合性能试验机可行性方案，建立高速列车轴箱轴承动力学有限元模型并仿真分析，对轴承进行仿真分析，在轴承动态特性分析中，载荷及转速的增大均会提高轴箱轴承的应力，最大应力出现在滚动体上，应力曲线显示由于滚动体受到交变应力的作用，成为轴承最易受损部件得到应力随时间变化曲线对后续轴承试验台轴承的相关研究有指导意义。

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