基于LS-DYNA铁路货车缺陷轴承动力学分析

朱成九，朱爱华，肖毅华，徐勇

（华东交通大学 a.土木工程学院；b.机电工程学院，南昌 330013）

轴承作为铁路车辆的最关键零部件之一，其状况的好坏直接影响车辆的行车安全。由于轴承寿命的离散性太大，按照其设计寿命对轴承进行定期检修保养不仅会造成对材料的浪费，同时也不能确保行车安全性［1-3］。因此对轴承进行动力学及结构分析，分析其在不同状态及工况下的受力情况，从内外因寻找其故障机理，建立一种对设备状态进行检测与诊断的系统，用此来代替定期维修。缺陷是引起轴承失效的一个重要因素，当轴承产生缺陷时，运动过程中当缺陷部位与其他零件发生接触碰撞时，就会产生应力集中以及较大的冲击振动，这时各零件的应力和振动会产生极大的变化，在循环撞击力作用下，缺陷部位就变成了轴承的薄弱区，很容易提前失效。因此，如果能提前判断出缺陷的部位，及时进行维修更换，会延长轴承的寿命。

下文主要研究点缺陷对轴承应力、位移、速度和加速度的影响，建立了轴承内外圈及滚子的点缺陷模型，进行动力学分析，最后通过对比，分析有缺陷轴承和正常轴承应力及加速度之间的关系。

1 缺陷轴承动力学仿真

1.1 点缺陷

滚动轴承会因疲劳、裂纹、压痕、胶合等失效形式引起滚动体和内、外圈表面剥落，这是滚动轴承常见的故障。表面剥落所形成的点缺陷恶化会导致整个轴承产生故障甚至报废［4］。

滚子缺陷轴承模型是在正常轴承353130B模型［5-10］的基础上建立的。在内、外圈和滚子正下方分别构造一个凹坑，点缺陷半径约1 mm，深度为2 mm，形状为球冠［11-13］，如图1所示。

图1 滚子轴承各零件的点缺陷模型

1.2 有限元模型

以双列圆锥滚子轴承353130B为仿真对象，其基本尺寸见表1［11］，仿真过程中所做的简化如下：

表1 353130B轴承参数

（1）模型材料均为线弹性材料；

（2）忽略了油膜对轴承运动状态的影响。

轴承材料均为高硬度钢材，塑性变形相对弹性变形几乎可忽略不计，因此假设轴承材料为各向同性的线弹性材料，密度为7 800 kg／m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。实际工况中，轴承外圈固定在轴承基座上，因此将轴承外圈全部约束，约束施加在外圈外表面节点上，由于所选单元SOLID164没有旋转自由度，只有平移自由度，所以只需约束其x，y和z方向的平动即可。载荷通过转轴作用在内圈上，因此将转速加载在内圈内表面刚体上，径向载荷施加在内表面刚体的轴线上。

材料参数和边界条件均采用正常模型的参数，滚子缺陷模型及网格划分如图1所示。

2 结果及分析

为与正常轴承仿真结果对比，求解参数的设置均保持和正常模型一致。

2.1 点缺陷时轴承零件的应力分布

选取时间点0.037 s对模型进行应力分析，滚子轴承零件点缺陷时轴承应力云图如图2所示。

图2 0.037 s应力云图

由图2可知，轴承零件的应力主要集中于下部的承载区域，最大应力出现在承载区滚子与外圈滚道接触的区域，上部非承载区的零件应力较小，甚至有空载的情况，这与正常情况下轴承的受力形式吻合。但轴承零件分别有点缺陷时滚子轴承零件的最大应力都比正常情况（表2）大，这说明在运行过程中，点缺陷的出现会造成缺陷部位应力集中，缺陷零件在循环冲击载荷的作用下，易发生疲劳损坏，使轴承过早失效。

为研究滚子轴承零件的点缺陷对轴承零件的影响程度，计算出其应力分布［11］，图3给出了其部分应力云图，即滚子点缺陷0.037 s时滚子、内圈和外圈的应力云图。滚子轴承各零件有点缺陷0.037 s时轴承各零件的最大应力值见表2，同时，为了比较，该表列出了正常轴承各零件的最大应力值［11］。

图3 0.037 s各零件应力云图

表2 0.037 s时各零件的最大应力值 MPa

由表2可知，当滚子有点缺陷时，滚子缺陷对内外圈影响不大，这是由于滚子的转动方式有绕内圈自转和绕自身轴旋转，滚子上的缺陷部位随自身轴的旋转不会一直保持与内外圈接触，只有当其缺陷部位与内外圈接触时才会对其产生影响。但对于滚子而言，缺陷的存在使其最大应力成倍增长，其最大应力出现在缺陷滚子与内外圈接触区域，在循环载荷的作用下，滚子的点蚀会逐渐扩大，造成滚子失效。

当内圈有点缺陷时，轴承各零件的应力大幅度增加，内圈应力水平的增幅最大，其次是滚子和外圈，但最大应力还是出现在滚子上，说明滚子还是最易破坏的零件，内圈滚道上出现点缺陷，其在高速旋转时，不停地与滚子发生接触碰撞，在大的应力作用下很容易造成缺陷的扩张以及使滚子产生疲劳剥落，影响轴承的正常使用。

当外圈有点缺陷时，轴承各零件的应力也明显增大，并且此时外圈的应力水平超过滚子应力水平，成为轴承应力最大的零件，且最大应力出现在外圈点缺陷位置，其应力增幅最大。当内圈转动时，外圈点缺陷位置不断受到滚子的撞击，在较大应力作用下，点缺陷很容易扩展，最终导致外圈提前失效。

2.2 轴承零件点缺陷时动力学分析

选取初始状态下轴承正下方接触区域内圈和滚子上节点，分析其在运行过程中位移、速度和加速度的变化情况。滚子、内圈和外圈分别有点缺陷时内圈和滚子节点x方向（径向）上的位移时程曲线和速度时程曲线分别如图4～图9所示，不同条件下的内圈节点y方向（周向）加速度曲线如图10所示，图中A为滚子节点，B为内圈节点。

由图4～图9可知，内圈和滚子节点在x方向的位移变化近似呈周期性，这与正常情况下是一致的。同样，内圈和滚子上节点x方向上速度变化曲线也类似于正常情况。这说明点缺陷的存在对零件节点的位移和速度变化没有很大的影响，轴承并不会因为滚子出现缺陷而改变其基本其运行方式。

图4 滚子点缺陷时内圈和滚子节点x方向位移曲线图

图5 滚子点缺陷时内圈和滚子节点x方向速度曲线图

图6 内圈点缺陷时内圈和滚子节点x方向位移曲线图

图7 内圈点缺陷时内圈和滚子节点x方向速度曲线图

图8 外圈点缺陷时内圈和滚子节点x方向位移曲线图

图9 外圈点缺陷时内圈和滚子节点x方向速度曲线图

由图10可知，轴承正常与点缺陷情况下，内圈滚道节点y方向的加速度曲线无规律性，不同时刻的峰值大小也不一样，呈非线性，这充分反映了轴承零件运动及受力的复杂性。

图10 不同故障状态下内圈节点y方向加速度曲线图

2.3 点缺陷对内圈大挡边的影响

在径向载荷作用下，承载区域的滚子会对内圈大挡边产生循环撞击，使内圈大挡边成为易破坏的薄弱区域。0.037 s时正常和带缺陷轴承内圈大挡边处的应力切片云图如图11～图12所示。

图11 正常轴承

由图12可知，轴承运行过程中，内圈大挡边上的最大应力均小于内圈与滚子接触区域的最大应力，其应力主要集中于承载区域挡边与滚子接触处。点缺陷对内圈挡边应力分布的影响不大，但挡边上最大应力呈增长趋势，当内圈存在点缺陷时，挡边最大应力约为760 MPa，增幅最大，滚子点缺陷和外圈点缺陷对挡边应力的影响接近，最大应力值分别为545和530 MPa。由此可见，内圈点缺陷增大了滚子与挡边的撞击幅度，使内圈大挡边也成为轴承中易破坏部位。

图12 0.037 s时不同状态下内圈大挡边应力切片图

3 结论

按照正常圆锥滚子轴承的参数，分别对滚子缺陷、内圈缺陷和外圈缺陷进行了动力学仿真模拟，并选取同一时间点，对轴承零件的应力分布、位移、速度和加速度变化进行了分析，得出如下结论：

（1）零件的点缺陷不会影响轴承零件应力的基本分布情况，应力主要还是集中在承载区的接触区域，但点缺陷的出现会导致零件应力数值的变化。

（2）各零件的点缺陷所产生的影响是不一样的，滚子点缺陷对内外圈的应力影响不大，但会导致其本身应力急剧增加，使其成为最易破坏的零件；内圈点缺陷会引起所有零件应力的增大，此时滚子的最大应力仍为最大，滚子最易破坏；外圈点缺陷也会使所有零件应力增大，而且这时外圈本身的最大应力将超过滚子和内圈的最大应力，成为最易失效的零件。

（3）点缺陷几乎不会影响内圈和滚子的运动形式，其位移和速度的变化形式和周期与正常情况下仍保持一致。

（4）点缺陷会使内圈大挡边的应力大幅增加，特别是内圈点缺陷对其影响最大，使其成为易损坏零件。