回轉(zhuǎn)支承承載性能分析方法探微

曹國(guó)蘭　江勇

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，重工業(yè)設(shè)備的主機(jī)結(jié)構(gòu)在不斷完善，回轉(zhuǎn)支承作為其中重要的元件，其設(shè)計(jì)方式和性能情況受到了社會(huì)各界的關(guān)注，需利用更加行之有效的檢測(cè)機(jī)制保證回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)。文章針對(duì)研究回轉(zhuǎn)支承承載性能的理論研究方法進(jìn)行了分析，并且以高強(qiáng)度螺栓解析法為例闡釋了研究過(guò)程的計(jì)算仿真模型。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)；承載性能；分析方法；重工業(yè)設(shè)備；主機(jī)結(jié)構(gòu)；高強(qiáng)度螺栓 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH133 文章編號(hào)：1009-2374（2016）30-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.041

回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)是重要的機(jī)械組成部件，利用滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)和內(nèi)外圈滾動(dòng)接觸進(jìn)行力和運(yùn)動(dòng)的傳遞，并且能同時(shí)承受徑向載荷作用、軸向載荷作用以及傾覆力矩的作用，也就是說(shuō)，要研究回轉(zhuǎn)支承承載性能就要對(duì)其接觸問(wèn)題進(jìn)行直觀研究，確保對(duì)高度非線性問(wèn)題進(jìn)行深入探討。

1 回轉(zhuǎn)支承承載性能的理論研究

1.1 回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

由于回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)是為滿足不同工作需求的基礎(chǔ)部件，整體構(gòu)型結(jié)構(gòu)比較多樣化，但是主要為兩大基本類型：一種是滾動(dòng)球點(diǎn)接觸；另一種是滾動(dòng)柱線接觸，研究人員要針對(duì)不同的類型進(jìn)行優(yōu)勢(shì)和缺陷的綜合分析。主要特征是：第一，點(diǎn)接觸式滾球運(yùn)動(dòng)靈活，回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)阻力?。坏诙?，點(diǎn)接觸式對(duì)精度、剛性以及安裝間隙要求低；第三，滾柱線接觸面大于滾球點(diǎn)接觸面積；第四，點(diǎn)接觸滾道結(jié)構(gòu)為曲面，難度要遠(yuǎn)超線接觸加工措施。其中比較典型的點(diǎn)接觸式回轉(zhuǎn)支承見圖1所示：

1.2 回轉(zhuǎn)支承荷載分布

在計(jì)算回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)滾動(dòng)體和滾道之間的接觸應(yīng)力以及變形情況時(shí)，研究人員要針對(duì)其荷載分布模型進(jìn)行仿真分析，從而計(jì)算出有效數(shù)值，其中針對(duì)具體的計(jì)算方式，國(guó)內(nèi)外提出了三種比較主流的研究假設(shè)：第一，若回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)外圈均為剛體結(jié)構(gòu)，則滾動(dòng)體和滾道接觸處會(huì)發(fā)生負(fù)載變形；第二，若是在加工過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的誤差，滾動(dòng)體和滾道之間接觸性較好，則不會(huì)出現(xiàn)軸向以及徑向的間隙；第三，由于回轉(zhuǎn)支承在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速較低，所以在性能分析計(jì)算時(shí)無(wú)需考慮離心力。

2 回轉(zhuǎn)支承承載性能研究方法

在對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載性能進(jìn)行研究的過(guò)程中，主要分為兩種模式：一種是基于Hertz接觸理論的解析算法；另一種是有限元數(shù)值算法。兩種算法需要研究人員進(jìn)行研究機(jī)制的分析，并且針對(duì)不同算法的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入剖析。

2.1 基于Hertz接觸理論的解析算法

對(duì)于分析荷載分布以及工程中接觸問(wèn)題的研究人員來(lái)說(shuō)，Hertz接觸理論并不陌生，Hertz接觸理論主要是針對(duì)物體在外載荷作用下的相互接觸，對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力以及應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)的一種科學(xué)理論。尤其是在軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中，研究人員能利用Hertz接觸理論對(duì)滾子和滾道之間的應(yīng)力分布進(jìn)行優(yōu)化建模。并且在后人的研究過(guò)程中，還在Hertz接觸理論的基礎(chǔ)上對(duì)彈性體線接觸問(wèn)題的特征進(jìn)行了研究，著重分析了線接觸彈性變形的推導(dǎo)公式，實(shí)現(xiàn)了理論的完善和進(jìn)步。

2.2 有限元數(shù)值算法

在高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，研究人員主要利用有限元數(shù)值算法進(jìn)行數(shù)理方程的求解，在利用變分原理的基礎(chǔ)上將分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化成代數(shù)算法問(wèn)題，成為解決工程問(wèn)題的重要計(jì)算工具。在有限元計(jì)算方式運(yùn)行的過(guò)程中，主要是利用連續(xù)的求解域離散化，并且按照不同的鏈接方式進(jìn)行有效的數(shù)字組合，將復(fù)雜的求解域簡(jiǎn)單化以及模型化。與此同時(shí)，有限元數(shù)值算法還有計(jì)算分析軟件作為系統(tǒng)支撐，能保證對(duì)接觸分布情況建立有效的模型。

另外，在實(shí)際研究回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)性能的時(shí)候，研究人員要根據(jù)回轉(zhuǎn)支承剛度分析法對(duì)其彈性形變進(jìn)行研究，主要是將回轉(zhuǎn)支承的滾圈直接視為剛體。也可以用ANSYS接觸分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，其中比較主要的分析模塊就是三種接觸方式，分別為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”“點(diǎn)對(duì)面”“面對(duì)面”，由于每一種接觸方式都處于不同的接觸單元，就需要研究人員針對(duì)不同的單元類型進(jìn)行接觸，并對(duì)其進(jìn)行有效識(shí)別。因此，在本文中，開始對(duì)使用的高強(qiáng)螺栓計(jì)算法對(duì)回轉(zhuǎn)支承性能進(jìn)行分析，使相關(guān)學(xué)者能遵循該方法使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及行為規(guī)范，從而促進(jìn)其研究的效率性發(fā)展。

3 回轉(zhuǎn)支承用高強(qiáng)度螺栓解析法進(jìn)行性能分析

本文針對(duì)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)使用高強(qiáng)度螺栓解析法進(jìn)行性能分析，在分析過(guò)程中主要是對(duì)螺栓的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行分析，并且利用一個(gè)實(shí)例進(jìn)行數(shù)值的計(jì)算，從而得出基本的性能分析結(jié)構(gòu)。

3.1 利用解析法進(jìn)行回轉(zhuǎn)支承螺栓剛度性能分析

在螺栓結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，由于荷載偏移，就會(huì)導(dǎo)致螺栓結(jié)構(gòu)既要承受來(lái)自拉力的作用，也要承受來(lái)自彎矩的作用，要對(duì)其數(shù)值進(jìn)行計(jì)算就要對(duì)外載荷作用的總拉力進(jìn)行計(jì)算，從而利用公式以及進(jìn)行螺栓剛度的計(jì)算。

3.2 利用解析法進(jìn)行回轉(zhuǎn)支承螺栓強(qiáng)度性能分析

基于回轉(zhuǎn)支承螺栓在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中會(huì)受到交變載荷的作用力，若是螺栓內(nèi)徑所處的剖面結(jié)構(gòu)發(fā)生拉斷或者是疲勞斷裂就會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失效，研究人員要對(duì)其靜強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以保證整體性能分析結(jié)構(gòu)和機(jī)制的完整。在計(jì)算前，研究人員要對(duì)螺栓所受到的軸向拉力進(jìn)行分析，并且對(duì)危險(xiǎn)螺栓結(jié)構(gòu)的總拉力數(shù)值進(jìn)行有效的分析。

3.2.1 靜強(qiáng)度計(jì)算。在研究螺栓靜強(qiáng)度的過(guò)程中，研究人員要仔細(xì)分析具體的數(shù)據(jù)，然后保證螺栓的靜壓力小于或者是等于螺栓結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，其螺栓靜壓力數(shù)值為。

3.2.2 疲勞強(qiáng)度計(jì)算。在分析疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)的過(guò)程中，研究人員首先要判斷造成回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞強(qiáng)度的原因，在這其中，比較突出的因素就是應(yīng)力幅，研究人員要利用應(yīng)力幅允許范圍對(duì)其數(shù)值進(jìn)行有效核對(duì)和比較，在回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)，要滿足，而對(duì)于交變應(yīng)力幅的求解，需要利用公式，特別要注意的是是回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)螺栓的疲勞極限應(yīng)力幅，數(shù)值并不與預(yù)緊強(qiáng)度相關(guān)，要利用公式進(jìn)行計(jì)算，式中，d是回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部螺栓的公稱直徑。

3.3 實(shí)例分析

針對(duì)某一模型進(jìn)行工況的計(jì)算，具體參數(shù)見圖2。假設(shè)內(nèi)外滾圈有36個(gè)M16的高強(qiáng)螺栓均勻分布，且整體螺栓性能的等級(jí)為10.9，結(jié)構(gòu)的預(yù)緊強(qiáng)度數(shù)值控制在630～650MPa之間，利用軸向荷載以及傾覆力矩進(jìn)行工況的計(jì)算。另外，可以利用公式求解出螺栓在單位荷載作用情況下的變形量，再對(duì)螺栓剛度進(jìn)行計(jì)算，然后針對(duì)不同的尺寸進(jìn)行運(yùn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算，求解Cm=1598500、Cb=530750，最終將整理后的數(shù)值直接帶入到拉力公式中：，再利用上文提到的公式最終得出靜應(yīng)力和交變應(yīng)力，從而保證回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)螺栓性能參數(shù)符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在對(duì)回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究的過(guò)程中，研究人員要根據(jù)實(shí)際情況建立最優(yōu)化的項(xiàng)目分析機(jī)制，以保證對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的解構(gòu)。只有保證對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能真正實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承元件的良性運(yùn)作。特別是對(duì)高強(qiáng)螺栓數(shù)據(jù)的處理，研究人員要針對(duì)螺栓連接性能進(jìn)行仔細(xì)比對(duì)，才能保證回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)動(dòng)。

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