特殊用途軸承試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

薛紅軍++李玉穩(wěn)++夏占++趙博

摘 要 為了驗(yàn)證特殊用途軸承在實(shí)際使用條件下的壽命，設(shè)計(jì)了一臺(tái)軸承試驗(yàn)機(jī)。首先對實(shí)際使用條件下的軸承變形和應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)軸承應(yīng)力分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種軸承試驗(yàn)機(jī)方案，并對多種方案下的軸承應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了對比分析，優(yōu)選了應(yīng)力分布與實(shí)際使用條件相似的軸承試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞 軸承；試驗(yàn)機(jī)；應(yīng)力；方案

中圖分類號(hào) TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）16-0064-02

特殊用途軸承是船上的關(guān)鍵設(shè)備之一，其壽命對系統(tǒng)的整體功能有重要影響。為了驗(yàn)證軸承在實(shí)際使用條件下的壽命，需要搭建軸承試驗(yàn)機(jī)，開展軸承疲勞壽命試驗(yàn)研究。

為了使軸承試驗(yàn)機(jī)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際使用壽命盡可能一致，要求試驗(yàn)機(jī)上軸承的受力狀態(tài)與實(shí)際盡可能保持一致。因此，對實(shí)際使用條件下軸承的受力開展了詳細(xì)有限元分析；根據(jù)實(shí)際狀態(tài)下軸承受力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種試驗(yàn)機(jī)方案，并分別開展了有限元分析。通過多方案的對比分析，確定了和實(shí)際工況最相似的試驗(yàn)機(jī)方案。

1 軸承及系統(tǒng)有限元模型

1.1 軸承有限元模型[1]

為了提高計(jì)算精度和效率。前后建了多種軸承模型。模型全部采用精度較高的六面體網(wǎng)格。為了提高接觸應(yīng)力計(jì)算精度，對接觸區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)，對接觸區(qū)域網(wǎng)格局部加密，以提高計(jì)算精度和效率。建立的軸承整體分析模型、對稱分析模型。

1.2 實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)有限元模型

實(shí)際應(yīng)用中，軸承加外套，通過加載桿施加載荷，并在一個(gè)槽內(nèi)滾動(dòng)。載荷以表面力的方式施加于加載桿頂部，方向垂直向下；滾動(dòng)槽的側(cè)面位移受約束。為了詳細(xì)計(jì)算軸承的載荷，設(shè)置了200多對接觸副。計(jì)算得到的軸承應(yīng)力見表1。

2 軸承試驗(yàn)機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 雙輪試驗(yàn)機(jī)方案

設(shè)計(jì)了雙輪試驗(yàn)機(jī)，其有限元模型見圖1。計(jì)算得到的軸承應(yīng)力見表2。可以看出，雙輪試驗(yàn)機(jī)方案中，滾子最大應(yīng)力和實(shí)際工況相差約6%，而滾子側(cè)向力與實(shí)際情況有很大差異。實(shí)際運(yùn)行過程中，軸承滾子基本不受側(cè)向力作用，而雙輪試驗(yàn)機(jī)方案導(dǎo)致相當(dāng)大的滾子側(cè)向力，使?jié)L子運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致早期疲勞失效。

2.2 單輪試驗(yàn)機(jī)方案

由于雙輪試驗(yàn)機(jī)存在加工、安裝等方面的誤差，造成左右軸承載荷不一致，而且對安裝位置和安裝精度比較敏感，因此，將試驗(yàn)機(jī)改成單輪試驗(yàn)機(jī)。而為了使軸承在單輪試驗(yàn)機(jī)上的受力狀態(tài)盡可能與實(shí)際工況一致，需要對單輪試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)。考慮的方案包括單輪簡支加載、單輪懸臂加載、單輪單滑軌支撐、單輪雙滑軌

支撐。

從單輪試驗(yàn)機(jī)的多方案計(jì)算結(jié)果看，與軌道上受力相比，單輪試驗(yàn)機(jī)滾子側(cè)端面受較大作用力，在軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾子會(huì)和側(cè)端面產(chǎn)生摩擦，并導(dǎo)致滾子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使軸承受力惡化。為了改進(jìn)滾子受力狀態(tài)，對單輪雙滑軌支撐方案開展了多方案改進(jìn)設(shè)計(jì)。主要的改進(jìn)方向?yàn)轱w輪接觸面形狀：

1）飛輪接觸面左側(cè)倒圓角，并且優(yōu)化倒圓角的

位置；

2）飛輪接觸面的坡度優(yōu)化。通過計(jì)算，得到了單輪雙滑軌支撐的較優(yōu)方案：輪套懸空一定距離，并且大飛輪和軸承外套接觸面設(shè)置一定的傾角。

優(yōu)化方案的軸承應(yīng)力見表3。

軸承滾子的應(yīng)力分布對比見圖2。

可以看出，單輪雙滑軌方案的軸承滾子側(cè)面受力明顯小于雙輪試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，與實(shí)際使用工況的受力相當(dāng)接近。疲勞試驗(yàn)的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的單輪雙滑軌試驗(yàn)機(jī)上軸承的壽命與實(shí)際使用工況

相當(dāng)。

3 結(jié)論

建立了實(shí)際使用工況、雙輪試驗(yàn)機(jī)多方案、單輪試驗(yàn)機(jī)多方案的軸承應(yīng)力分析有限元模型，并對軸承的受力進(jìn)行了多方案的計(jì)算分析。結(jié)果表明：實(shí)際使用工況下，軸承的滾子基本不受側(cè)向力作用，運(yùn)行比較穩(wěn)定；而雙輪試驗(yàn)機(jī)上不論軸承是否對中，滾子側(cè)向力都要比實(shí)際工況大得多。因此，采用雙滑軌單輪試驗(yàn)機(jī)方案，并確定了具體參數(shù)，使軸承運(yùn)行情況與實(shí)際工況相似。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)選試驗(yàn)機(jī)方案上的軸承疲勞壽命與實(shí)際使用壽命相近，表明試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)是成

功的。

參考文獻(xiàn)

[1]林金國，傅達(dá)，夏占，等.特殊用途重載軸承滾子型線參數(shù)的優(yōu)選設(shè)計(jì)[J].船舶工程，2017（3）：35-39.endprint