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[摘 要]本文采用ABAQUS软件对货车轴承密封罩的压装过程进行弹塑性有限元接触分析，得出了由于压装深度不足导致密封罩脱出的结论，并计算出合理的压罩深度，进行了相关实验，验证了有限元分析结果的正确性。分析内容对分析密封罩脱出原因有一定的指导意义，为其他类型轴承的研究提供了一定的理论依据。
[关键词]密封罩脱出； 弹塑性有限元分析；等效塑性应变；压罩深度
中图分类号：TH133.333 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0326-01
0 引言
从2006年起，我国铁路货车上采用的352226X2-2RZ型滚动轴承多次出现密封罩脱落，货车报警[1]，这不但影响正常的货车运输秩序，还极易造成轴承内部润滑不良，严重时会危及行车安全。因此，解决密封罩脱出是十分必要的。
密封罩脱出原因有很多方面，本文着重从压罩深度这方面来研究脱出原因。按照我国《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》[3]的规定，密封罩压装完成后，其压装面不得高于轴承外圈端面。目前现场实际的压装深度为0.2mm，即压装完成后，密封罩的压装面低于轴承外圈端面0.2mm。但是实际调研结果显示，压装深度为0.2mm时，脱出现象仍然普遍存在。这是因为在实际压装的过程中，密封罩在较大压装力的作用下发生了塑性变形，密封罩的凸台没有完全进入轴承外圈的牙口沟槽内。因此，本文采用ABAQUS有限元分析软件进行了密封罩压装过程的弹塑性有限元分析，模拟了密封罩的塑性变形过程，从理论上分析了压装深度为0.2mm时密封罩的脱出原因，并利用有限元分析，得出了压罩的合理深度值，又采用YN-2型密封罩压装测扭矩机进行试验分析，验证了本文的理论分析结果正确。
1 有限元分析
1.1 有限元分析模型
本文采用ABAQUS有限元分析软件对密封罩和轴承外圈的压装过程进行了弹塑性分析，由于密封罩和轴承外圈都是轴对称结构，故密封罩和轴承外圈的单元类型定义为四节点四边形双线性非协调轴对称单元CAX4I，其回转轴为Y轴。密封罩和轴承外圈的材料属性如下：密封罩采用08AlP型钢，其泊松比為0.3，屈服极限为210MPa，其抗拉强度，屈服极限，弹性模量，泊松比[4]。轴承外圈采用轴承合金钢，其弹性模量为，泊松比。
模型中的施加约束条件和载荷如下：密封罩直径为的上端面只可以沿Y轴方向平动，其余5个自由度全部约束，轴承外圈底面的6个自由度全部约束。关于外加载荷，本文根据密封罩的实际工况，在密封罩直径为的上端面施加了沿Y轴向下的位移载荷。
1.2 脱罩原因分析
密封罩与轴承外圈的压装过程，就是密封罩凸台与轴承外圈入口、牙口和牙口沟槽的多点对摩擦接触过程，为了更加直观的分析脱罩原因，同时考虑到在压装过程中，密封罩的凸台上、下端与轴承外圈牙口区段的相互作用非常剧烈，因此本文在凸台上、下端各选取三个单元作为特征单元，对其等效塑性应变进行分析。
以特征单元1的等效塑性应变变化曲线为例进行分析可知：（1）入口阶段，塑性应变的数值增大，由0增大至0.005。这是因为密封罩在轴承入口阶段时，密封罩凸台上端在较大的压装力作用下与牙口发生剧烈的挤压和摩擦，发生了较大的塑性应变；（2）牙口阶段，等效塑性应变的数值继续增大，由0.005增大至0.006，但变化比较平稳。这是因为密封罩凸台上端在入口阶段已经发生了较大的塑性应变，密封罩凸台上端和轴承外圈的相互作用明显减弱，密封罩的塑性应变增幅减小；（3）牙口沟槽阶段，等效塑性应变的数值迅速增大，由0.006骤增至0.028，最后基本保持不变。这是因为轴承外圈压装部分的力学模型可以等效为一个悬臂梁，入口阶段为悬臂梁的自由端，而牙口沟槽阶段的最底部可以等效为悬臂梁的固定端，牙口沟槽处的刚度远大于入口和牙口。当密封罩从牙口进入牙口沟槽瞬间，外圈的刚度迅速增大，且外圈与外圈接触面积迅速减小，因此密封罩凸台上端的塑性应变迅速增大。当密封罩完全进入牙口沟槽后，二者之间的相互作用保持恒定，密封罩凸台上端的等效塑性应变基本保持不变。
特征单元4、5、6的等效塑性应变变化趋势基本一致。以特征单元6为例进行分析可知：（1）入口阶段和牙口阶段，等效塑性应变的数值迅速增大，由0增大至0.103。变化原因与特征单元1相同；（2）牙口沟槽阶段，塑性应变的数值由0.103逐渐增加至0.105，然后基本保持不变。这是因为密封罩进入牙口沟槽时，主要是密封罩凸台上端与牙口沟槽相互作用，凸台下端作用比较弱，因此，密封罩的塑性应变值增幅减小了。当密封罩完全进入牙口沟槽后，二者之间的相互作用保持恒定，密封罩凸台下端的塑性应变基本保持不变。
1.3 合理的压装深度
从上述密封罩的等效塑性应变变化规律分析可知，密封罩在压装过程中发生了较大的塑性应变。当密封罩的压装深度为0.2mm时，密封罩的凸台没有完全进入轴承外圈的牙口沟槽内，密封罩和轴承外圈的正确咬合关系无法形成。为了确定合理的压装深度，本文分别对压装深度为0.3mm和0.4mm的压装过程进行了有限元模拟。
当压装深度为0.3mm时，密封罩凸台进入外圈牙口沟槽的部分比压装深度为0.2mm时明显增大了，但密封罩的凸台还没有完全进入外圈牙口沟槽。当压装深度为0.4mm时，密封罩凸台已经完全进入到外圈牙口沟槽内，两者有较为良好的配合关系，脱罩问题应该可以得到改善。
2.实验研究
本文采用YN-2型密封罩压装测扭矩机对密封罩压装效果进行测试。该型号测扭矩机采用卧式测扭矩的检测方式，当轴承到达检测位置后，检测设备中的弧形夹具分别夹紧轴承两端的密封罩，夹紧力由伸缩气缸通过杠杆机构传递给夹具的夹头，夹紧力的大小满足夹紧要求。当夹具夹紧密封罩后，在一端夹具上施加定值扭矩，对密封罩压装质量进行检测，扭矩的施加机构由配重、齿盘和顶升气缸组成，施加扭矩的大小等于配重所受重力和齿盘有效半径之积。在施加扭矩的过程中，如果设备未检测到密封罩和轴承外圈发生相对转动，则认为装配合格，否则认为装配不合格。
根据《铁路货车车轮轴组装、检修及管理规定》[3]，本文对密封罩施加了122.5N/m的扭矩，以密封罩和轴承外圈是否發生相对转动为判据，确定密封罩的压装深度。实验结果表明：当压罩深度等于0.2mm、0.3mm时，施加扭矩之后，密封罩和轴承外圈之间有相对转动，当压罩深度等于0.4mm时，密封罩和轴承外圈之间没有相对转动发生，因此，合理的压罩深度应大于0.4mm，这一分析结果和理论分析结果一致。
3.结语
本文通过先对压装深度为0.2mm的密封罩压装过程进行了弹塑性有限元分析，得到了六个特征单元的等效塑性应变曲线，由等效塑性应变曲线可知：由于密封罩在压装过程中凸台部分发生了剪切作用和较大的塑性应变，使得密封罩的凸台没有完全进入轴承外圈的牙口沟槽内，密封罩和轴承外圈的正确咬合关系无法形成，从而导致密封罩脱出。在此基础上，本文分别对压装深度为0.3mm和0.4mm的压装过程进行了有限元分析，通过对密封罩最终位置的比较，最终得出合理的压装深度应大于0.4mm，并在YN-2型密封罩压装测扭矩机进行了验证，实验结果与理论分析结果一致。但是，在进行有限元弹塑性分析时，密封罩和轴承外圈的摩擦系数假定为0.2，这需要进一步的实验验证；同时，在确定压装深度时，还需要进一步的优化分析。
参考文献
[1] 宫辉.货车滚动轴承密封装置故障的原因分析及防范措施[J].上海铁道科技，2007，2：25-26.
[2] 王忠雷.铁路货车轴承密封罩生产工艺研究与探讨[J].科技资讯，2012，35：67-68.
[3] 铁路货车轮轴组装、检修及管理规则[S].中国铁道出版社，2007.
[4] 机械工程手册（第二版）[M].机械工业出版社，1996.
[关键词]密封罩脱出； 弹塑性有限元分析；等效塑性应变；压罩深度
中图分类号：TH133.333 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0326-01
0 引言
从2006年起，我国铁路货车上采用的352226X2-2RZ型滚动轴承多次出现密封罩脱落，货车报警[1]，这不但影响正常的货车运输秩序，还极易造成轴承内部润滑不良，严重时会危及行车安全。因此，解决密封罩脱出是十分必要的。
密封罩脱出原因有很多方面，本文着重从压罩深度这方面来研究脱出原因。按照我国《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》[3]的规定，密封罩压装完成后，其压装面不得高于轴承外圈端面。目前现场实际的压装深度为0.2mm，即压装完成后，密封罩的压装面低于轴承外圈端面0.2mm。但是实际调研结果显示，压装深度为0.2mm时，脱出现象仍然普遍存在。这是因为在实际压装的过程中，密封罩在较大压装力的作用下发生了塑性变形，密封罩的凸台没有完全进入轴承外圈的牙口沟槽内。因此，本文采用ABAQUS有限元分析软件进行了密封罩压装过程的弹塑性有限元分析，模拟了密封罩的塑性变形过程，从理论上分析了压装深度为0.2mm时密封罩的脱出原因，并利用有限元分析，得出了压罩的合理深度值，又采用YN-2型密封罩压装测扭矩机进行试验分析，验证了本文的理论分析结果正确。
1 有限元分析
1.1 有限元分析模型
本文采用ABAQUS有限元分析软件对密封罩和轴承外圈的压装过程进行了弹塑性分析，由于密封罩和轴承外圈都是轴对称结构，故密封罩和轴承外圈的单元类型定义为四节点四边形双线性非协调轴对称单元CAX4I，其回转轴为Y轴。密封罩和轴承外圈的材料属性如下：密封罩采用08AlP型钢，其泊松比為0.3，屈服极限为210MPa，其抗拉强度，屈服极限，弹性模量，泊松比[4]。轴承外圈采用轴承合金钢，其弹性模量为，泊松比。
模型中的施加约束条件和载荷如下：密封罩直径为的上端面只可以沿Y轴方向平动，其余5个自由度全部约束，轴承外圈底面的6个自由度全部约束。关于外加载荷，本文根据密封罩的实际工况，在密封罩直径为的上端面施加了沿Y轴向下的位移载荷。
1.2 脱罩原因分析
密封罩与轴承外圈的压装过程，就是密封罩凸台与轴承外圈入口、牙口和牙口沟槽的多点对摩擦接触过程，为了更加直观的分析脱罩原因，同时考虑到在压装过程中，密封罩的凸台上、下端与轴承外圈牙口区段的相互作用非常剧烈，因此本文在凸台上、下端各选取三个单元作为特征单元，对其等效塑性应变进行分析。
以特征单元1的等效塑性应变变化曲线为例进行分析可知：（1）入口阶段，塑性应变的数值增大，由0增大至0.005。这是因为密封罩在轴承入口阶段时，密封罩凸台上端在较大的压装力作用下与牙口发生剧烈的挤压和摩擦，发生了较大的塑性应变；（2）牙口阶段，等效塑性应变的数值继续增大，由0.005增大至0.006，但变化比较平稳。这是因为密封罩凸台上端在入口阶段已经发生了较大的塑性应变，密封罩凸台上端和轴承外圈的相互作用明显减弱，密封罩的塑性应变增幅减小；（3）牙口沟槽阶段，等效塑性应变的数值迅速增大，由0.006骤增至0.028，最后基本保持不变。这是因为轴承外圈压装部分的力学模型可以等效为一个悬臂梁，入口阶段为悬臂梁的自由端，而牙口沟槽阶段的最底部可以等效为悬臂梁的固定端，牙口沟槽处的刚度远大于入口和牙口。当密封罩从牙口进入牙口沟槽瞬间，外圈的刚度迅速增大，且外圈与外圈接触面积迅速减小，因此密封罩凸台上端的塑性应变迅速增大。当密封罩完全进入牙口沟槽后，二者之间的相互作用保持恒定，密封罩凸台上端的等效塑性应变基本保持不变。
特征单元4、5、6的等效塑性应变变化趋势基本一致。以特征单元6为例进行分析可知：（1）入口阶段和牙口阶段，等效塑性应变的数值迅速增大，由0增大至0.103。变化原因与特征单元1相同；（2）牙口沟槽阶段，塑性应变的数值由0.103逐渐增加至0.105，然后基本保持不变。这是因为密封罩进入牙口沟槽时，主要是密封罩凸台上端与牙口沟槽相互作用，凸台下端作用比较弱，因此，密封罩的塑性应变值增幅减小了。当密封罩完全进入牙口沟槽后，二者之间的相互作用保持恒定，密封罩凸台下端的塑性应变基本保持不变。
1.3 合理的压装深度
从上述密封罩的等效塑性应变变化规律分析可知，密封罩在压装过程中发生了较大的塑性应变。当密封罩的压装深度为0.2mm时，密封罩的凸台没有完全进入轴承外圈的牙口沟槽内，密封罩和轴承外圈的正确咬合关系无法形成。为了确定合理的压装深度，本文分别对压装深度为0.3mm和0.4mm的压装过程进行了有限元模拟。
当压装深度为0.3mm时，密封罩凸台进入外圈牙口沟槽的部分比压装深度为0.2mm时明显增大了，但密封罩的凸台还没有完全进入外圈牙口沟槽。当压装深度为0.4mm时，密封罩凸台已经完全进入到外圈牙口沟槽内，两者有较为良好的配合关系，脱罩问题应该可以得到改善。
2.实验研究
本文采用YN-2型密封罩压装测扭矩机对密封罩压装效果进行测试。该型号测扭矩机采用卧式测扭矩的检测方式，当轴承到达检测位置后，检测设备中的弧形夹具分别夹紧轴承两端的密封罩，夹紧力由伸缩气缸通过杠杆机构传递给夹具的夹头，夹紧力的大小满足夹紧要求。当夹具夹紧密封罩后，在一端夹具上施加定值扭矩，对密封罩压装质量进行检测，扭矩的施加机构由配重、齿盘和顶升气缸组成，施加扭矩的大小等于配重所受重力和齿盘有效半径之积。在施加扭矩的过程中，如果设备未检测到密封罩和轴承外圈发生相对转动，则认为装配合格，否则认为装配不合格。
根据《铁路货车车轮轴组装、检修及管理规定》[3]，本文对密封罩施加了122.5N/m的扭矩，以密封罩和轴承外圈是否發生相对转动为判据，确定密封罩的压装深度。实验结果表明：当压罩深度等于0.2mm、0.3mm时，施加扭矩之后，密封罩和轴承外圈之间有相对转动，当压罩深度等于0.4mm时，密封罩和轴承外圈之间没有相对转动发生，因此，合理的压罩深度应大于0.4mm，这一分析结果和理论分析结果一致。
3.结语
本文通过先对压装深度为0.2mm的密封罩压装过程进行了弹塑性有限元分析，得到了六个特征单元的等效塑性应变曲线，由等效塑性应变曲线可知：由于密封罩在压装过程中凸台部分发生了剪切作用和较大的塑性应变，使得密封罩的凸台没有完全进入轴承外圈的牙口沟槽内，密封罩和轴承外圈的正确咬合关系无法形成，从而导致密封罩脱出。在此基础上，本文分别对压装深度为0.3mm和0.4mm的压装过程进行了有限元分析，通过对密封罩最终位置的比较，最终得出合理的压装深度应大于0.4mm，并在YN-2型密封罩压装测扭矩机进行了验证，实验结果与理论分析结果一致。但是，在进行有限元弹塑性分析时，密封罩和轴承外圈的摩擦系数假定为0.2，这需要进一步的实验验证；同时，在确定压装深度时，还需要进一步的优化分析。
参考文献
[1] 宫辉.货车滚动轴承密封装置故障的原因分析及防范措施[J].上海铁道科技，2007，2：25-26.
[2] 王忠雷.铁路货车轴承密封罩生产工艺研究与探讨[J].科技资讯，2012，35：67-68.
[3] 铁路货车轮轴组装、检修及管理规则[S].中国铁道出版社，2007.
[4] 机械工程手册（第二版）[M].机械工业出版社，1996.