湯武初 葛洪勝 高長笛 王依

摘要：針對高速鐵路列車上雙列圓錐滾子軸承的工作特點(diǎn)，本文建立了高速列車軸箱軸承雙列圓錐滾子軸承分析模型，利用理論分析和軟件仿真相結(jié)合的方法，分析了OR-641157AC/VA3881型的雙列圓錐滾子軸承在外圈剝落和外圈正常情況下的故障特征頻率。利用三維實(shí)體建模軟件CREO（Creo Parametric），建立了軸承正常和軸承外圈剝落兩種情況下的模型，并將模型導(dǎo)入ANSYS分析軟件，進(jìn)行添加約束與驅(qū)動，同時對兩種狀態(tài)下的模型進(jìn)行仿真分析和理論計(jì)算。研究結(jié)果表明，低階模態(tài)振型對軸承的結(jié)構(gòu)變化影響較大，尤其在低階固有頻率以下，軸承形變比較明顯，振幅較大。仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合，證明了所建模型與仿真結(jié)果的合理性和正確性。該研究為軸承的故障診斷提供了合理的方法。

關(guān)鍵詞：圓錐滾子軸承; 模態(tài)分析; ANSYS; 故障診斷

滾動軸承是高速列車走行部的重要組成部件，它的工作狀態(tài)對整個轉(zhuǎn)向架的安全運(yùn)轉(zhuǎn)具有較大的影響，作用是將正在運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，進(jìn)而減少摩擦損失。近年來，我國高速鐵路技術(shù)的飛速發(fā)展，對高速列車的性能要求越來越高。軸箱軸承是高速列車最關(guān)鍵和最核心的部件，軸承故障的出現(xiàn)容易造成非常嚴(yán)重的鐵路交通事故，并將導(dǎo)致無法挽回的損失[1～3]。在實(shí)際工作狀態(tài)中，軸承內(nèi)圈與列車輪對軸采用過盈配合，軸承外圈與軸箱座采用過渡配合或過盈配合，外圈與軸承座沒有相對運(yùn)動。圓錐滾動體與內(nèi)外圈滾道之間產(chǎn)生的摩擦力使?jié)L動體不僅繞軸承軸線作公轉(zhuǎn)，還繞自身軸線作自轉(zhuǎn)運(yùn)動[4]。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中軸承故障發(fā)生頻率很高，人們開始考慮進(jìn)行軸承模型的建模，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，該問題得到很好地解決。曹青松等人[5]建立了CRH1型動車組滾動軸承-車軸耦合系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型，采用數(shù)值方法，分析了不同工況下動車組軸承-車軸耦合系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)與非線性特性;楊天蘊(yùn)等人[6]根據(jù)軸承故障機(jī)理，建立了軸承故障動力學(xué)模型，并利用實(shí)際軸承進(jìn)行測試，驗(yàn)證了模型的正確性;李長健等人[7]通過建立模型，使用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS對剝落故障進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該故障模型的有效性;D.P.Jena等人[8]提出利用非抽樣小波變換，對軸承振動信號進(jìn)行降噪處理，獲得的近似信號更好地適用于基于連續(xù)小波變換的時頻分析信號處理方法，測量圓錐滾子軸承內(nèi)圈和外圈的缺陷大小;董振振[9]以深溝球軸承為研究對象，分析局部故障激勵下軸承外圈在徑向上的振動響應(yīng)，建立滾動軸承內(nèi)外圈之間的耦合關(guān)系，給出故障軸承振動方程組，通過Matlab軟件求解獲得仿真信號，對比仿真模型與實(shí)驗(yàn)中的實(shí)測信號驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性;針對高速動車組軸箱軸承中的圓錐滾子軸承，劉永強(qiáng)等人[10]建立了一種含外圈故障的滾動軸承非線性動力學(xué)模型;袁茹等人[11]建立了滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型，研究了系統(tǒng)響應(yīng)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化趨勢。以上研究對象多為結(jié)構(gòu)比較簡單的單列軸承，本文采用三維實(shí)體建模軟件CREO，建立雙列圓錐滾子軸承，進(jìn)行模擬軸承外圈剝落的故障情況，探究軸承外圈故障對軸承振動特性的影響。該模型為軸承故障診斷、故障機(jī)理研究及故障變化規(guī)律的研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 軸承平衡方程

2 有限元模型的建立

2.1 滾動軸承參數(shù)

本文以CRH5型車的軸箱軸承為研究對象進(jìn)行建模，該列車采用斯凱孚（svenska kullagerfabriken，SKF）生產(chǎn)的OR-641157AC/VA3881型雙列圓錐滾子軸承。利用三維實(shí)體建模商業(yè)軟件CREO建立軸承模型，該軸承每列有圓錐滾子21個，雙列圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，641157AC/VA3881軸承參數(shù)如表1所示。

高速列車的軸承均為彈性材料，材質(zhì)為軸承鋼，保持架為塑鋼材料，塑鋼保持架可有效降低軸承內(nèi)部溫度，使軸承性能的可靠性提高。軸承各部件參數(shù)如表2所示。

當(dāng)軸承的滾動體與內(nèi)圈、外圈及保持架接觸時，均通過接觸實(shí)現(xiàn)力的傳遞，正確的設(shè)置接觸非常重要。滾動軸承具有3對接觸，即滾動體與內(nèi)圈滾道接觸、滾動體與外圈滾道接觸、滾動體與兜孔之間接觸。每一個滾動體都有3對接觸，整套雙列圓錐滾動軸承共有126對接觸。為了與實(shí)際相符，考慮摩擦因素的影響，各接觸面摩擦系數(shù)如表3所示。

根據(jù)實(shí)際情況，建立外圈剝離故障軸承模型，剝離損傷尺寸為50 mm×20 mm×0.5 mm，軸承外圈剝落實(shí)物圖如圖3所示。

2.2 有限元網(wǎng)格的劃分

采用三維軟件CREO畫出圖形，導(dǎo)入分析軟件ANSYS中，一般軸承的材料為軸承鋼，其強(qiáng)度大，變形很小，所以設(shè)置的部件材料為線性材料。在網(wǎng)格劃分的各項(xiàng)參數(shù)中，設(shè)置的外圈、內(nèi)圈和保持架采用自動劃分方式，網(wǎng)格大小為5 mm。劃分完成后，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求，模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為163 812，單元數(shù)量為750 626。軸承有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

3 仿真分析

根據(jù)高速列車軸箱軸承工作特點(diǎn)，尤其是滾動體與保持架之間復(fù)雜的受力及運(yùn)動關(guān)系，仿真時需要進(jìn)行如下假設(shè)：

1） 忽略軸承兩端的端蓋、油擋環(huán)等密封裝置的影響。

2） 忽略軸向、徑向間隙對油膜的影響，因?yàn)樵摳咚倭熊囕S箱軸承采用酯潤滑，出廠時軸承的徑向及軸向游隙均已經(jīng)調(diào)好[21]。

3） 設(shè)零件各部件為剛體，忽略軸承的柔性變形，若零件接觸產(chǎn)生局部形變時，視為彈性形變。

4） 在軸承外圈外表面施加固定約束，限制其自由度，以模擬外圈與軸箱裝配狀態(tài);軸承外圈側(cè)表面施加固定約束，以模擬軸承箱體約束;軸承內(nèi)圈內(nèi)表面施加軸向約束，以模擬內(nèi)圈與軸的連接狀態(tài)。

采用8階模態(tài)提取階數(shù)進(jìn)行模態(tài)分析，正常軸承前8階模態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出，低階模態(tài)振型對軸承的結(jié)構(gòu)變化影響較大，尤其在低階固有頻率以下，軸承形變比較明顯，振幅較大，由此可大致估算高速列車軸箱軸承的易損傷頻率范圍。實(shí)際使用中，當(dāng)軸承發(fā)生故障時，其各階的振動頻率會有變化。

以軸承外圈剝落損傷為例，再進(jìn)行模態(tài)分析，外圈故障軸承前8階模態(tài)如圖6所示。

將OR-641157AC/VA3881軸承傷損前后共振頻率進(jìn)行對比，兩種不同的振動頻率對比結(jié)果如表4所示。通過各階頻率模態(tài)圖和特征頻率可以看出，隨著階數(shù)的增加，特征頻率增大。外圈剝落故障軸承的各階故障特征頻率都比正常軸承小。低階模態(tài)振型是影響軸承結(jié)構(gòu)變化的主要原因，尤其在低階固有頻率以下，軸承形變比較明顯，振幅較大。

4 結(jié)束語

本文采用三維實(shí)體建模軟件和模態(tài)仿真軟件，對OR-641157AC/VA3881型軸承進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和仿真分析，對正常軸承和外圈有缺陷的軸承仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，所建模型符合實(shí)際情況，軸承的外圈故障特征頻率仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果大體吻合，說明該模型的合理性。正常軸承與故障軸承的振型基本相同，不同的是當(dāng)故障軸承運(yùn)轉(zhuǎn)到故障位置時，整體固有頻率在一定程度上降低，這樣會導(dǎo)致車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動頻率更容易達(dá)到軸承的振動固有頻率，從而產(chǎn)生共振，加劇軸箱軸承的損壞，甚至影響其他部件的損壞。該模型為軸承故障診斷、故障機(jī)理研究及故障變化規(guī)律的研究提供了合理的方法。

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