韋林　張凱

　　摘　要（yào）：本文采用ABAQUS軟件對貨車軸承密封（fēng）罩的壓裝過程進行彈塑性有限（xiàn）元接觸分析，得出了由於壓裝深度不足（zú）導致密封罩脫（tuō）出的結（jié）論，並計算出合理的壓罩（zhào）深度，進行了相關實（shí）驗，驗（yàn）證了有限元分（fèn）析結果的正確（què）性（xìng）。分析內容對（duì）分（fèn）析密封罩脫出原因有一定的指導意義，為其他類型軸承的研究提供了一定的（de）理論依據（jù）。
　　關鍵詞：密封罩脫出；彈塑性有限元（yuán）分析；等效塑性應（yīng）變（biàn）；壓罩深度

　　0　引言
　　從2006年起，我國鐵路貨車上采用的352226X2-2RZ型滾動軸承多次出現密（mì）封罩脫落，貨車報警^[1]，這不但影響正常的貨車運輸秩序，還極易造成軸承內部潤滑不良，嚴重（chóng）時會危及（jí）行車安全。因此，解決密封罩脫出（chū）是十分必要的（de）。
　　密封罩脫出原因有很多方麵，本文著重從壓罩深度這方麵來（lái）研（yán）究脫出原因。按照我國《鐵路（lù）貨車輪軸組裝（zhuāng）、檢修（xiū）及管理（lǐ）規（guī）則》^[3]的規定，密封罩壓裝完成後，其壓裝（zhuāng）麵不得（dé）高於軸承外圈端麵。目前（qián）現場（chǎng）實際的壓（yā）裝深（shēn）度為0.2mm，即壓裝完成後，密封罩的壓裝麵低於軸承外圈（quān）端麵0.2mm。但是實際調研結果顯示，壓（yā）裝深度為0.2mm時，脫出現象仍然普遍存在。這是因為在實際壓裝的過程中，密封罩在較大壓裝力的（de）作用下發生（shēng）了塑性變形，密封罩（zhào）的凸台沒有完全進入軸承外圈的牙口溝槽（cáo）內（nèi）。因此，本文（wén）采用ABAQUS有限元分析軟件進行了密封罩（zhào）壓（yā）裝（zhuāng）過程的彈塑性有限元分析，模擬了密封罩的塑性變形（xíng）過程，從理論上分（fèn）析了壓裝深度為0.2mm時（shí）密封罩的脫出原因，並利用有限元分析，得（dé）出了壓罩的合理深度值，又采用YN-2型密（mì）封罩壓裝測扭矩機進行試驗分析，驗證了本文的理論分析結果正確。
　　1　有（yǒu）限元分析
　　1.1有限元分析模型
　　本文（wén）采用ABAQUS有限元分（fèn）析軟件對密封罩和軸承外圈的（de）壓裝過程進行了彈塑性分析，由於密封罩和軸承外圈都是軸對稱結構，故密封罩和軸承外圈的單元類型定義為四節點四（sì）邊形雙線性非協調軸對稱單元CAX4I，其回轉軸為（wéi）Y軸。密封（fēng）罩和軸承外圈的材料屬性如（rú）下：密封罩采用08AlP型鋼，其泊鬆比為0.3，屈服極限為（wéi）210MPa，其抗拉強度，屈服極限，彈性模量，泊（bó）鬆比^[4]。軸承外圈采用軸承合金（jīn）鋼，其彈性模量為，泊鬆比。
　　模型中的（de）施加約（yuē）束條件和載荷如下：密封罩直徑為的（de）上端麵隻可以沿Y軸方向平動，其餘5個自（zì）由度全部約（yuē）束，軸承外圈底麵的6個自（zì）由度全部約束。關於外加載荷，本文根據（jù）密封罩的實際工況，在密（mì）封（fēng）罩直徑（jìng）為的上端麵施加了（le）沿（yán）Y軸向下的位移載（zǎi）荷。
　　1.2脫罩原因分析
　　密封罩與軸承外圈的壓（yā）裝（zhuāng）過程，就（jiù）是密封罩凸台與軸承外圈入口、牙口和牙口溝槽的多點對摩（mó）擦接觸過程，為了更加直觀的分析脫罩原（yuán）因（yīn），同時考慮到在壓裝過程中，密封罩的（de）凸台（tái）上、下端與軸承（chéng）外圈牙（yá）口區段的相互作用非常劇烈，因此本文在凸台上、下端各選取（qǔ）三個單元作為特征單元（yuán），對其等效塑性應變進行分（fèn）析。
　　以特征單元1的等效塑性應變變化曲線為例進行分（fèn）析可知：（1）入口階段，塑性應變的數值增大，由0增大至0.005。這是因（yīn）為密封罩在軸承入口階段時，密封罩凸台上端在較大的壓（yā）裝力作（zuò）用下與牙口發生劇烈的擠壓和摩擦，發生了較大的塑性應變；（2）牙口階段，等效塑（sù）性應變的數值繼續增大，由0.005增大至0.006，但變化比較平穩（wěn）。這是因為密封罩（zhào）凸台上端在入口階段已經（jīng）發生了較大的塑性應變，密封罩凸台上端和軸承外圈的相（xiàng）互作用（yòng）明顯減弱，密封罩的塑性應（yīng）變增幅（fú）減小；（3）牙（yá）口溝槽階段，等效塑性應變的數值迅速增大，由0.006驟增至0.028，Z後基本保持不變。這是因（yīn）為（wéi）軸承外圈壓裝部分的力學模型可以（yǐ）等效為一個（gè）懸臂（bì）梁，入口（kǒu）階段（duàn）為懸臂梁的自由端，而牙口溝槽階段（duàn）的Z底部可以等效為懸臂梁的固定端，牙口溝槽處的剛度遠（yuǎn）大於（yú）入口和牙口（kǒu）。當密封罩從牙口進入牙口溝槽瞬（shùn）間，外（wài）圈的剛度（dù）迅（xùn）速增大，且外圈與外圈接觸麵積迅（xùn）速減小（xiǎo），因此密封罩凸台上端的塑（sù）性應變迅速增大。當密封罩完全進入牙口溝槽後，二者之間（jiān）的相互作用保持恒定（dìng），密封罩凸台上端的等效塑性應變基（jī）本保持不變。
　　特征單元4、5、6的等效塑性應變變化趨勢基本一致。以特征單元6為例進（jìn）行分析可知：（1）入口（kǒu）階段和牙口階段（duàn），等效塑性應變的數值迅（xùn）速增大，由0增大至0.103。變化原因與特征單元1相同；（2）牙口溝槽（cáo）階段，塑性應變的數值由（yóu）0.103逐漸增加至0.105，然後基本保持不變。這（zhè）是因為密封罩進入牙口溝槽時，主要是（shì）密封（fēng）罩凸台上端與牙口溝槽相互作用（yòng），凸台（tái）下端（duān）作用比較（jiào）弱，因此，密封罩的塑性應變值增幅（fú）減小了。當（dāng）密封罩完全（quán）進入牙口溝槽後，二者之間的相互（hù）作用保持恒定，密（mì）封（fēng）罩（zhào）凸台（tái）下端的塑性應變基本保持不變。
　　1.3合理（lǐ）的壓（yā）裝（zhuāng）深（shēn）度
　　從上（shàng）述密封（fēng）罩的等效（xiào）塑性應變變化規（guī）律分析可知，密封罩在壓裝過程中（zhōng）發生了較大的塑性應變。當密（mì）封罩（zhào）的（de）壓裝深度為0.2mm時，密封罩的凸台沒有完全進（jìn）入軸承外圈的（de）牙口溝槽內，密封罩和軸承外圈的正（zhèng）確咬合關係（xì）無法形成。為了確定合理的壓裝深度，本文分別對壓（yā）裝深度為0.3mm和0.4mm的壓裝過程進（jìn）行了有限元模擬。
　　當壓裝深度為（wéi）0.3mm時，密封罩凸台進入外（wài）圈牙口溝槽的部分比壓裝深度為0.2mm時（shí）明顯增大了，但密封罩的凸台還沒有完（wán）全進入外圈牙口溝槽。當壓裝深度為0.4mm時，密封罩凸台已經完全進入到外圈牙口溝槽內，兩者有較為良（liáng）好的配合關係，脫罩問題應該可以得到改善。
　　2.實驗研究
　　本文采用（yòng）YN-2型（xíng）密封罩壓裝測扭矩機（jī）對密封罩壓裝（zhuāng）效果進行（háng）測（cè）試（shì）。該型號測扭矩機采用臥式測扭矩的檢測方式，當軸承（chéng）到達檢測位置後，檢測設備中的弧形夾具分別夾（jiá）緊軸承（chéng）兩（liǎng）端的密（mì）封罩，夾緊力由伸縮氣缸通過杠杆（gǎn）機構傳遞給夾具的夾頭，夾（jiá）緊力的大小（xiǎo）滿足（zú）夾緊要求（qiú）。當夾具夾緊密封罩後，在一端夾具上施加定值扭矩，對密封罩壓裝質量進行檢測，扭矩的施加機構由配重、齒盤和頂升氣缸組成，施加扭矩的（de）大小等於配重所受（shòu）重力和齒盤有效半徑之積。在施（shī）加扭矩（jǔ）的（de）過程中，如果設（shè）備（bèi）未檢（jiǎn）測到密封罩和軸承外圈發生相對轉動，則認為裝配（pèi）合格，否則認為裝配不合格。
　　根據《鐵路貨車車（chē）輪（lún）軸組裝、檢（jiǎn）修及管理規定》^[3]，本文對密封罩施加了122.5N/m的扭矩，以密封罩和軸承外（wài）圈是否發生相對轉動為（wéi）判（pàn）據，確定密封罩的壓裝深度。實驗結果表明：當（dāng）壓罩（zhào）深度等於0.2mm、0.3mm時，施加扭矩（jǔ）之後（hòu），密封罩和軸承外圈之間有相對轉動，當（dāng）壓罩深度（dù）等（děng）於0.4mm時，密封罩和軸承外圈之間沒有相對轉動發生，因此，合理的壓罩深度應大於0.4mm，這一分析結果和理論分析結果一致。
　　3.結語
　　本文通過先對壓裝深度為（wéi）0.2mm的密封罩壓裝過程進行了彈塑性有限元分析，得到了六個特征單元的等（děng）效塑性應變（biàn）曲線，由（yóu）等效塑（sù）性應（yīng）變曲線可知：由（yóu）於密封罩在（zài）壓裝過（guò）程中凸台部分發生了剪切作用和較大的塑性應變，使得密封罩的凸台沒有完全進入軸承（chéng）外圈的牙口溝槽內，密封（fēng）罩和軸承外圈（quān）的正確咬合關係無法（fǎ）形成，從而導致密封罩脫出。在此基礎上，本文分別對壓裝深度為0.3mm和0.4mm的壓裝過程進行了有限元分析，通過（guò）對密封罩Z終位置的比較，Z終得出合理的壓裝深度應大於0.4mm，並在YN-2型密封罩壓裝測扭矩機進行了驗證，實驗（yàn）結果與理論分析（xī）結果一（yī）致。但是，在進行有限元彈（dàn）塑性分析時，密封罩和軸承外圈的摩擦（cā）係（xì）數假定為0.2，這需要進一步（bù）的實驗驗證；同時，在確定壓裝深度時，還需要進一步的優化分析。
　　參考文（wén）獻
　　[1]宮輝.貨車滾動軸承密封裝置（zhì）故障（zhàng）的原因分析及防範措施[J].上海鐵道科技，2007，2：25-26.
　　[2]王忠雷.鐵路貨車軸承（chéng）密封罩生（shēng）產工藝研究與探討[J].科技資訊，2012，35：67-68.
　　[3]鐵路貨車輪軸組裝（zhuāng）、檢修及管理（lǐ）規則[S].中國鐵道出版社，2007.
　　[4]機械工程手冊（cè）（第二版）[M].機械工業出版社，1996.

來源：《中國科技（jì）博覽》2017年21期