高速铁路客车圆锥滚子轴承凸度与动态性能分析

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1、第1章绪论第1章绪论1.1研究目的及意义随着国内经济高速持续地发展，高速铁路以其运量大、速度快、能耗低、运价廉、占地少、安全可靠等一系列技术经济优势适应了经济、社会发展的新要求[1]。而轴箱轴承作为高速铁路和城市轨道交通车辆的关键旋转支承基础件，其安全性能指标是最根本的技术性能要求，因此提高铁路客车轴箱轴承工作性能和可[2-4]靠性显得尤为重要。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

2、效应加速了滚子与套圈之间的磨损，[5-7]造成轴承的过早失效。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[8]中，改善滚子与滚道接触的应力分布和动态性能。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[9-13]从轴承内部

3、的运转机理探索轴承的失效及故障原因。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，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

4、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[14-16]量和安全。1万方数据河南科技大学硕士学位论文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

5、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[17]损，降低了轴承运转的温度，提高了安全性。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漏，有效地提[18]高了轴承的寿命；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

6、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[19]环境模拟试验等，保证了轴承的高可靠性。SKF与FAG共同研制了时速550km的高速铁路轴承试验台，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

7、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[20]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。国内在高铁轴承上的研究起步比较晚，国家在“七五”和“八五”期间组织过大量科研人员进行攻关，取得了一些成效，洛阳轴承研究所“八五”期间与洛阳轴承集团有限公司合作研制开发了准高速客车轴承，并掌握了时速为180km准高速铁路客车轴承的一些关键技术。洛轴于九十年代初仅用很短的时间研制出的达到九十年代国际同类先进产品的水平，被列为国家级火炬

8、计划的准高速铁路客车轴承，至今已拥有了自主的知识产权，技术标准，完全满足现阶段铁路高速运行的要求。自2004年引进高铁技术以来，国家坚持自主研发核心技术，在近几年的时间里也取得了一些成效，例如在十一五期间，由洛阳轴研科技、洛阳LYC等国内轴承行业龙头单位承担的―十一五‖科技支撑计划，其中高速铁路轴承的研发是其中的重要内容，在轴承的