摘要：轴承是列车和其它传动机构的基础部件，在列车运行过程中轴承质量的好坏，对于列车的安全性能具有重要的影响。它不仅能够减小摩擦阻力还能改变机构的运动方式，在使用过程中表现出的力学特性与轴承的结构设计和实际应用场合密切相关。
关键词：城市轨道车辆；轴承；分析
车辆轴承作为地铁列车走行部发生故障概率最大的零部件之一，工作环境恶劣，非常容易发生故障，所以轴承的故障检测及故障诊断研究成为地铁检修部门非常重视的方面。通过对轴承的模态分析得出的计算数据与城市轨道车辆轴承模态数据库进行比对，可以防止预测轴承失效的周期频率，诊断出轴承故障并能尽早维修或更换，使城市轨道车辆的运营游刃有余，更加安全可靠，为保证列车运行安全，此课题具有研究意义。
1 城市轨道车辆轴承损伤及检测
滚动轴承作为地铁列车走行部发生故障概率最大的零部件之一，工作环境恶劣，非常容易发生故障，所以滚动轴承的故障检测及故障诊断研究成为地铁检修部门非常重视的方面，诊断出轴承故障并能尽早维修或更换，可使城市轨道车辆的运营游刃有余，更加安全可靠。
目前，我国大部分地铁车辆车轴主要采用的是免维护密封式双列圆锥滚子轴承。
圆锥滚子轴承单元（TBU）由两个内圈、一个共用外圈、两列圆锥滚子和聚合物保持架组件、一个中心隔圈、润滑脂和两个密封件组成。
1.1 城市轨道车辆轴承损伤特性
任何轴承的计算寿命都是基于下列八项假设的：
a）轴承适用于其应用环境；
b）轴承质量高，没有缺项；
c）轴承相关部件（例如轴和轴承座）的尺寸合适；
d）轴承安装正确；
e）轴承润滑剂的种类和量均合适；
f）轴承单元受到充分的保护（密封）；
g）轴承配置与工作条件相适应；
h）按照建议进行维护。
轴承是机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的重要机械零部件，它的主要功能室支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。机械设备在日常使用和运转过程中，由于外部负荷、操作不当、内部应力、磨损、腐蚀和自然侵蚀等因素的影响，使个别轴承部位或整体改变尺寸、形状、机械性能等，造成轴承丧失其规定的部分或全部功能，称为轴承损伤。
常见的影响轴承损伤和失效的外因有：擦伤、磨损、疲劳、塑性变形、侵蚀、烧伤、电侵蚀、人为使用和操作失误等。
1.2 城市轨道车辆轴承检测
1.2.1 振动分析
振动分析法是通过安装在轴承座和箱体上的振动传感器来监测轴承的振动信号，并对其进行分析和处理的方法，具有测试与处理简单、直观、诊断结果可靠等优点，在实际中得到了极为广泛的应用。
1.2.2 噪声分析
噪声分析法是通过滚动轴承在运行过程中产生的噪声来判断其故障，用噪声法进行轴承的故障检测，优点是可以进行无接触测量，其弊端是难以从周围环境的各种其它声音中分离出轴承异常的声音信号。
1.2.3 温度分析
轴承若产生某种异常，轴承的温度会发生变化，因此根据温度的变化可以对轴承故障进行诊断，但对异常判断的能力只能给予很低的评价。
1.2.4 电磁超声发射诊断
声发射属超声波信号，是一种弹性波。当承受负载的滚动体通过剥落处时，缺陷就扩展，同时就有声发射现象发生并且具有周期性，根据周期可以判别故障类型和部位。
2 城市轨道车辆轴箱轴承模态分析
2.1 城市轨道车辆轴箱轴承有限元模型的建立
2.1.1 建立几何模型
ANSYS Workbench在软件绘图方面的功能不够强大，本文利用SOLIDWORKS 2012建立TBU 120*195轴箱轴承的三维几何模型。由于此圆锥滚子轴承单元比较复杂，模态又只与轴承的内圈、外圈、滚子、保持架有关，所以只建立这四者的三维几何模型，然后通过数据交换接口将建成的三维模型导入到ANSYS Workbench中。再通过ANSYS Workbench，根据轴箱轴承的特点，在不影响结构强度和刚度的情况下，对三维几何模型进行适当优化修改并得到其有限元模型。
2.1.2 选择材料
TBU 120*195轴箱轴承选择高碳铬轴承钢（全淬透型）：GCr15是高碳铬轴承钢的典型钢种，在淬火、回火后有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度。
2.1.3 网格划分
网格划分方式和划分数量与计算精度及计算规模密切相关。对规则结构应尽量选择较规则的网格划分方法，这样可以提高计算精度。网格划分数量越多，越能反映结构真是特性，计算结果也更加精确，但网格数量增加也使计算规模增加，加大计算难度。所以，应从两方面权衡，确定合适的网格划分数量。对于静力分析，若主要考虑结构变形，网格数量可以相对较少些；若主要考虑应力分布，则网格数量应尽量多些；对于动力分析，根据所关注模态阶数的不同，对网格数量的要求也不同，对低阶模态求解，较少数量的网格便可满足精度要求，但对高阶模态求解，则要求相对较多的网格数量。
2.1.4 确定边界条件
分别对轴承内圈，外圈、滚子进行有限元分析。在模态分析时，对轴承内圈采用自由约束，对外圈采用固定约束，不施加任何位移约束。
2.2 城市轨道车辆轴箱轴承模态分析仿真
2.2.1计算结果
TBU 120*195的前六阶频率：
表3.1 TBU 120*195前六阶频率
2.2.2结果分析
固有频率越高其振动越剧烈对结构影响就越大，因此高阶振型对轴承的动态特性起决定作用，故应避免外界载荷频率过高，对轴承造成损坏。
由TBU 120*195前六阶频率和振型来看，轴箱轴承的保持架和滚子易发生变形，是轴承的薄弱环节。由于此轴承结构的特殊性，当轴带动轴承内圈转动时，外圈保持不动，两个内圈和一个共用外圈在振动时不易发生形变，主要是滚子在滚动时振动剧烈，周边保持架也振动剧烈，故定期检查保持架和滚子是保证车辆运行安全的前提。
3 结论与展望
3.1 结论
轴承作为城市轨道车辆的关键结构件，研究轴承的振动特性对其工作可靠性具有重要意义，本文得到以下主要成果：
（1）本文运用ANSYS Workbench对城市轨道车辆轴箱轴承进行动力学模态分析，求出轴承的前六阶固有频率和振型，方法简便、计算快捷、得到的振型形象直观。
（2）车辆轴箱轴承结构复杂，尤其是它的塑钢保持架，对轴承滚子，对整个轴承的模态都有重大影响，固有频率和振型在不同的材料属性下差别很大，对轴承的定期检测及维修至关重要。
3.2 展望
今后可以在以下几个方面进一步开展研究：
（1）本文只对车辆轴箱轴承进行了模态分析，之后可以对城市轨道车辆所有轴承进行类似的模态分析，不仅仅是转向架部分，对于车辆涉及到的所有轴承比如车门驱动装置中的轴承等，都能进行各种动力学分析，建立数据库。
（2）对于不同的工况，对轴承进行动力学分析。如在车辆运行过程中，采用节时算法，施加不同的速度进行分析；采用节能算法，施加不同的速度进行分析；或者根据不同的工况中，对轴承施加不同的载荷，进行基于模态分析的动力学分析，得到准确的数据，建立数据库。
论文作者:俞家凯
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
标签：轴承论文; 轴箱论文; 车辆论文; 内圈论文; 滚子论文; 网格论文; 模态论文; 《基层建设》2019年第21期论文;