高速列车轴箱轴承疲劳寿命及可靠性研究

摘要

随着高速铁路技术的蓬勃发展，高速列车的各零部件性能不断提高。轴箱轴承作为高速列车传动系统的关键机械部件，服役环境复杂，载荷冲击剧烈，其运行过程中状态的好坏直接影响着列车的安全。目前高速列车轴箱轴承全部从国外引进，轴承国产化己成为限制我国高速列车技术发展的瓶颈问题，同时为了满足新一代高速列车研制的需要，迫切需要研发与我国高速列车运行工况和运营检修环境相适应的轴箱轴承。只有深入研究轴承的疲劳损伤机理，才能够合理的指导轴承设计，保障轴承可靠性寿命的准确性。本文结合实测的轴箱轴承载荷数据，围绕高速列车轴箱轴承的疲劳寿命与可靠性，开展了以下工作:
　　(1)分析了轴箱双列圆锥滚子轴承的结构特征及在运营中所受的径向与轴向载荷情况。提出了轴箱轴承载荷测试的两个方案:将轴箱弹簧与转臂传感器化，测试弹簧与转臂的载荷，通过载荷分析得到轴承载荷;对轴承外圈开槽，在开槽处布置测点，通过应力信号识别轴承载荷。根据载荷识别的相关理论，确定了高速列车轴箱轴承载荷的测试方案，并运用于高速列车轴箱轴承的载荷跟踪测试试验，为后续轴承的疲劳寿命预测和可靠性评估提供数据支撑。
　　(2)分别采用静力学法和有限元法，建立了双列圆锥滚子轴承力学分析模型，研究了轴承的载荷分布特征，分析了不同结构参数和载荷参数对轴承接触载荷分布、形变和接触刚度的影响规律。计算结果表明:两种方法所得轴承载荷分布基本一致，有限元法在计算精度方面具有优势，而静力学法在计算效率方面具有优势。
　　(3)在实测轴箱轴承载荷数据的基础上，结合传统轴承疲劳寿命理论与线性累积损伤准则，建立了时变载荷下轴承的疲劳寿命预测模型。分别运用该模型及传统理论寿命计算方法，计算了轴箱轴承疲劳寿命。结果表明:在相同载荷及工况条件下，新方法计算的疲劳寿命小于传统理论方法，表明新方法的寿命预测结果相对保守。另外，提出轴箱轴承每公里损伤概念，运用线性损伤理论计算了高速列车进出库工况下的每公里损伤值，结果表明:列车低速进出检修库工况下的每公里损伤值远高于正常高速运营工况，说明列车在日常低速进出库时，轴承的工况条件较为恶劣，计算寿命时该工况不可忽视。
　　(4)建立了圆锥滚子精细化有限元接触模型，采用有限元软件仿真了其接触应力状态，并研究了轴承载荷与应力的传递关系，同时将仿真结果与Hertz理论计算结果进行对比。通过载荷与应力关系，结合应力疲劳寿命准则，提出了基于应力的轴箱轴承疲劳寿命评估方法，并运用提出的寿命评估方法对轴承进行了评估。
　　(5)根据等效应力与疲劳强度存在的干涉关系，建立了轴承的等效应力—疲劳强度可靠性模型，该可靠性模型直接反映了可靠度与结构的应力和疲劳强度之间的关系，在己知应力和疲劳强度相关数据的条件下，可运用该模型计算任意时刻（服役寿命）下的可靠度。提出了基于加权范数的自助最大熵可靠性评估方法，并利用轴承寿命数据，评估了轴承可靠性及其置信区间。
　　综上所述，本文采用理论分析、有限元仿真和试验研究方法，研究了高速列车轴箱双列圆锥滚子轴承的载荷识别、内部载荷分布、形变和刚度等方面的问题，并对轴承疲劳寿命预测与可靠性进行了系统的研究。研究结果对于高速列车轴箱轴承的设计、制造、使用和维护具有一定的理论指导意义和工程应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景与工程意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轴承载荷分布

1．2．2 轴承疲劳寿命

1．2．3 可靠性理论

1．3 主要研究内容

2 轴箱轴承的载荷识别研究

2．1 轴箱轴承的基本特性

2．1．1 结构特点

2．1．2 失效形式

2．2 轴箱轴承的实际受载分析

2．3 弹簧转臂载荷识别及标定试验

2．3．1 弹簧载荷

2．3．2 转臂载荷

2．3．3 载荷标定

2．4 轴承外圈开槽载荷识别

2．4．1 载荷识别方法

2．4．2 台架试验

2．5 本章小结

3 双列圆锥滚子轴承载荷分布研究

3．1 轴箱轴承的基本参数

3．2 单列圆锥滚子轴承内部载荷分布

3．2．1 载荷与变形关系

3．2．2 静载荷作用下的内部载荷分布分析

3．2．3 游隙对载荷分布的影响

3．3 双列圆锥滚子轴承内部载荷分布

3．3．1 载荷分布计算模型

3．3．2 计算结果与讨论

3．4 圆锥滚子轴承载荷分布的有限元法

3．4．1 有限元模型

3．4．2 仿真结果分析

3．5 本章小结

4 基于实测载荷的轴箱轴承寿命预测方法研究

4．1 轴承寿命预测模型

4．1．1 L-P理论的寿命计算方法

4．1．2 ISO标准的寿命计算方法

4．1．3 基于实测载荷的寿命计算方法

4．2 轴箱轴承载荷数据线路测试及处理

4．2．1 数据采集系统

4．2．2 数据处理方法

4．2．3 试验数据

4．3 轴承寿命计算及结果分析

4．3．1 传统寿命理论计算

4．3．2 基于实测载荷的轴承寿命预测方法计算

4．3．3 不同寿命计算方法对比分析

4．4 结合不同工况的寿命预测

4．5 本章小结

5 基于应力的轴箱轴承疲劳寿命评估方法研究

5．1 疲劳寿命评估准则

5．2 轴承接触疲劳寿命评估方法

5．3 轴承载荷与应力传递关系

5．3．1 圆锥滚子接触应力的理论计算

5．3．2 圆锥滚子接触应力有限元仿真

5．3．3 载荷与应力传递关系

5．4 基于应力的轴承疲劳寿命计算

5．5 本章小结

6 轴箱轴承的可靠性评估方法研究

6．1．1 等效应力

6．1．2 疲劳强度

6．1．3 干涉模型

6．1．4 算例

6．2 基于加权范数的自助最大熵评估方法

6．2．1 可靠性加权范数

6．2．2 参数评估的范数准则

6．2．3 可靠性参数评估

6．2．4 可靠性的估计及置信区间

6．2．5 实测数据分析

6．3 本章小结

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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