1、第期 年月 研究开发文章编号：（）型轴承内圈大挡边与滚子球基面匹配关系的研究分析赵雷，龚海勇，张澎湃，郭爱英，戎有鑫，张世强（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 ；中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 ；中车长江集团科技开发分公司，湖北 武汉 ）摘要：本文针对 年发生的 型双列圆锥滚子轴承热轴故障现象，分析了热轴产生的原因；根据内圈与滚子的几何关系推导了内圈大挡边与滚子球基面的接触位置，在考虑轴承各参数公差的情况下，找出了、参数与接触距离的关系，计算出接触位置变化范围；基于计算结果，选取了不同接触位置对应的参数建立有限元模型，仿真分析了不同接触位置的接触应力，提出了内
2、圈大挡边与滚子球基面的最佳接触位置，为杜绝该故障的发生给出了可行的生产控制措施。关键词：接触应力；接触位置；圆锥滚子轴承；内圈大挡边；球基面；控制措施中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，、，：；收稿日期：第一作者：赵雷（），男，高级工程师。双列圆锥滚子轴承具有结构紧凑、承载能力强以及可以承受径向和轴向联合载荷等优点，被广泛应用于铁路车辆。作为铁路车辆重要的走行部件，承担着车辆移动和承载的功能，其性能好坏直接影响到铁路货车的运行安全。本文针对 年发生的 型双列圆锥滚子轴承热轴故障进行现象分析和理论验证，并基于轴承内圈与滚子的几何关系，采用有限元方法，从接触位置和应力的角度分析故障原因，同
3、时提出生产控制措施，对防止类似故障的发生具有重要指导意义。第 卷第期 年月故障案例 年 月 至 月 间 共 发 生 起 铁 路 货 车 型轴承早期热轴故障，现场检查轴承外圈无裂损、前盖后挡无变形、轴端螺栓无松动，密封罩无松动和窜出，车轮踏面无擦伤和剥离，承载鞍状态良好，无磨耗。轴承经分解、清洗和检测后发现，滚子和内圈滚道存在轻微变色，滚子小端与外圈中环带处异常摩擦，内圈大挡边擦伤。经尺寸检测，内圈大挡边角度偏工艺下限，部分滚子球基面半径偏工艺上限，其它尺寸正常；着色检测时，滚子与内圈大挡边的接触位置偏内圈油沟，见图。图轴承分解外观根据轴承设计方法，不改变挡边角度的情况下，滚子球基面半径为 时，
4、滚子球基面与斜挡边的接触位置最为恰当；年沈丹富等推导了接触位置公式，提出了接触位置在偏下的生产控制方法；年刘文福提出了接触计算模型，研究了接触椭圆与参数的关系，提出了接触位置在最为合适。总之，当内圈大挡边与滚子球基面的接触位置偏下时，受油沟边缘效应影响，造成磨损加剧，滚子端面摩擦力矩增大，滚子发生倾斜；滚子倾斜影响了轴承运动状态，造成滚子螺旋进入内部，滑动摩擦占为主导并逐步卡死，形成轴承偏小端接触的现象，同时轴承温度急剧升高，产生了热轴故障。计算分析接触位置理论计算根据 型轴承内圈与滚子之间的几何关系，建立数学模型。轴承参数见表，几何关系见图。表 型大修轴承相关参数项点数值内圈大挡边直径 内圈
5、大挡边角度 内圈滚道圆锥角 圆锥角偏差 内圈滚道直径 滚子球基面半径 滚子大端直径 滚子半锥角 圆锥角偏差 图内圈与滚子的几何关系由图几何关系得：（）（）（）（）（）（）（）（）型轴承内圈大挡边与滚子球基面匹配关系的研究分析赵雷，龚海勇，张澎湃，郭爱英，戎有鑫，张世强（），即（）（）（）由公式（）公式（）可知，接触位置受、因素影响。经计算验证，、对接触位置计算结果影响较小，产生的变化量约，计算结果见图图；随着和的增大，接触距离变小；随着和的增大，接触距离变大。因此，将、分为三种情况，即名义值、图内圈滚道圆锥角与接触距离的关系曲线图滚子半锥角与接触距离的关系曲线图滚子直径与接触距离的关系曲线接触
6、距离变最小、接触距离变最大，具体计算结果见表，名义值接触距离分布图见图。从上述理论计算结果可知：当内圈大挡边角度等于 ，其它参数在公差范围内取值，接触距离在 ，基本满足挡边中部位置的要求。图内圈滚道直径与接触距离的关系曲线图名义值接触距离分布图接触位置仿真计算根据表的计算结果，选取种理论接触情况，采用有限元软件分别建立分析模型，模型参数具体见表，有限元模型见图。建模型时，滚子两端倒圆角，对数曲线建立凸度；内圈大端应考虑挡边油沟和倒角，即为 、倒角，小端油沟可简化；内圈和外圈滚道按无凸度考虑。划分网格时，挡边和滚子球基面接触区域单元按 控制，接触面按 控制；材料弹性模量为 ，泊松比 ；内外圈和滚
7、子的接触部分摩擦系数为 。表接触距离计算结果序号参数值接触距离挡边长度 第 卷第期 年月表建模参数序号滚子大端直径滚子半锥角（）内圈滚道直径内圈滚道圆锥角（）内圈大挡边角度（）滚子球基面半径 内圈大挡边直径接触距离 图单个滚子的分析模型因 型轴承装用在轴重 的铁路货车上，滚子个数，考虑到铁路轴承在瞬时较大轴向力作用下有可能单列承受载荷，承受最大力滚子的载荷为 。此载荷按集中力的方式加载在与内圈内径面耦合的节点上；内圈大端面施加轴向约束、外圈外径面施加全约束；滚子球基面与内圈大挡边、滚子滚动面与内圈滚动面、滚子滚动面与外圈滚动面建立接触。种情况的计算结果见表，接触应力云图见图，第种第种情况 应力
8、云图见图。表仿真计算接触应力结果序号接触距离接触应力 接触椭圆面积接触椭圆长轴接触椭圆短轴 从上述计算结果可知，第种情况接触应力最佳；第种情况接触面积最小，但接触应力最大；第种和第种情况，应力已经影响到挡边油沟；第种情况，应力已经影响到挡边倒角。生产控制措施综合上述 型轴承内圈大挡边角度与滚子球基面的匹配计算可知，接触位置应位于 范围内。为实现此目标，结合轴承生产工艺，企业可从以下方面进行严格控制：）轴承内圈大挡边角度和滚子球基面半径应进行生产稳定性控制，在设备条件允许的情况下，提高企业标准，建议内圈大挡边角度公差为、滚子球基面半径 以下，减少出现零件尺寸处于极限偏差的情况。）生产工序控制可采
9、用着色检测与量化测量相结合的方式进行角度检测，见图；着色检查宜采用带凸度的成品滚子，见图。）内圈滚道圆锥角和滚子半锥角按中值偏下、滚子大端直径和内圈滚道直径按中值偏上进行生产控制，以进一步减少接触位置偏下的概率。型轴承内圈大挡边与滚子球基面匹配关系的研究分析赵雷，龚海勇，张澎湃，郭爱英，戎有鑫，张世强图计算模型的接触应力图图 计算模型的 应力图第 卷第期 年月图 量化测量图 涂色检测结论通过对 型轴承早期热轴故障现象的研究分析，提出合理匹配内圈大挡边与滚子球基面的接触关系可以避免此故障的再次发生。同时基于轴承几何关系和有限元仿真技术，对内圈大挡边与滚子球基面的接触位置进行了理论计算和接触应力计
10、算，提出了内圈 大挡边与 滚子 球基面 的 接 触位置处于 范围内最合适，并据此给出了生产控制措施。参考文献：董美娟铁路货车轴承引起热轴的原因分析及改进措施机械工程师，（）：，（）：洛阳轴承研究所圆锥滚子轴承设计方法洛阳：洛阳轴承研究所，洛阳轴承研究所 加强型圆锥滚子轴承设计方法 洛阳：洛阳轴承研究所，刘峰 圆锥滚子球基面曲率半径的设计计算 轴承，（）：，（）：沈丹富，孙明亚圆锥滚子轴承挡边接触点的控制方法轴承，（）：，（）：刘文福圆锥滚子轴承挡边倾角的优化研究机电工程，（）：，（）：中国铁路总公司铁路货车轮轴组装检修及管理规则中国铁道出版社有限公司，：梁贵林，文绪明，张玉辉，等 圆锥滚子轴承内圈挡边与滚子球基面接触分析 哈尔滨轴承，（）：，（）：，贾松阳，王朋伟 圆锥滚子球基面与挡边匹配下的接触分析 哈尔滨轴承，（）：，（）：，扬长洲圆锥滚子球基面与挡边锥面接触分析哈尔滨轴承，（）：，（）：铁道部四方车辆研究所 型铁路货车滚动轴承产品设计说明铁道部四方车辆研究所，
