滾動(dòng)軸承參數(shù)化建模及接觸強(qiáng)度研究

周志敏

摘 要 滾動(dòng)軸承作為將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦以降低能量損耗的重要設(shè)備，當(dāng)前在幾乎所有機(jī)械設(shè)施中都取得了良好的使用?；趯?duì)滾動(dòng)軸承參數(shù)化建模方法的分析，本文探討了該軸承在運(yùn)行中產(chǎn)生的接觸強(qiáng)度參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出針對(duì)強(qiáng)度不足問題的解決方法，從而讓滾動(dòng)軸承的運(yùn)行強(qiáng)度可以獲得提高，讓該設(shè)備處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 滾動(dòng)軸承;參數(shù)化建模;接觸強(qiáng)度

引言

滾動(dòng)軸承包括滾軸軸承和滾珠軸承等多種類型，其作用形式存在差異，則在參數(shù)化建模中要根據(jù)運(yùn)行原理合理配置各項(xiàng)參數(shù)，此外在接觸強(qiáng)度的分析過程，也要根據(jù)該軸承的運(yùn)行原理科學(xué)分析，確定不同受力情況、運(yùn)行過程的軸承構(gòu)件在接觸面積、活動(dòng)構(gòu)件需要具備強(qiáng)度方面具有的差異量等參數(shù)。

1滾動(dòng)軸承的參數(shù)化建模方法

考慮到滾動(dòng)軸承的類型較多，同時(shí)滾珠軸承的使用占比最大，并且該類型軸承的強(qiáng)度控制難度較大，所以本文僅以滾珠軸承為研究對(duì)象進(jìn)行參數(shù)化建模。具體建模過程如下：

1.1 尺寸確定工作

滾動(dòng)軸承的主要配件有三個(gè)，即外環(huán)、內(nèi)環(huán)和兩者中間的滾珠，其中設(shè)定外環(huán)的直徑為D，內(nèi)環(huán)直徑為D1，滾珠的直徑為d，3個(gè)參數(shù)的關(guān)系為：

另外要確定滾子的數(shù)量，要根據(jù)被分析軸承的用途和可承力水平分析，本文確定該結(jié)構(gòu)的數(shù)量數(shù)值為9，滾子球心和軸承型心之間的夾角為40°。此外考慮到滾動(dòng)軸承無論是內(nèi)環(huán)還是外環(huán)本身都具有一定的厚度，對(duì)厚度參數(shù)進(jìn)行限制，其中內(nèi)圈的厚度為l，外圈的厚度為L，則通過該方法可以更好確定今后的工作形式。直徑參數(shù)的確定公式變?yōu)椋?/p>

該公式中不考慮內(nèi)環(huán)和外環(huán)對(duì)滾子的包圍效果，同時(shí)D1的含義變?yōu)閺臐L動(dòng)軸承軸承重心到內(nèi)環(huán)的長度。另外在建模過程，也要考慮滾動(dòng)軸承的寬度參數(shù)，采取的方法為將軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)的寬度視作完全相同，以簡化建模工作。

1.2 軸承接觸分析

軸承運(yùn)行中理論上任務(wù)無論何種情況，滾子、內(nèi)環(huán)和外環(huán)都會(huì)處于持續(xù)性接觸狀態(tài)（在參數(shù)化建模中不考慮滾子和內(nèi)外環(huán)之間存在的油膜結(jié)構(gòu)），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，直接受力的滾子會(huì)和內(nèi)外環(huán)之間存在更大面積的接觸，尤其是將運(yùn)行壓力完全施加某顆滾珠的情況下，該過程形成了面接觸而非點(diǎn)接觸，該方法在使用中會(huì)加大對(duì)于接觸面積的建模難度，若直接對(duì)接觸面受力分析則難度較大，所以采用構(gòu)造接觸面區(qū)域的等邊三角形結(jié)構(gòu)分析方法，將接觸面設(shè)定為三個(gè)接觸點(diǎn)，以大幅降低工作難度[1]。另外在確定了接觸面之后，還需要設(shè)定各項(xiàng)材料參數(shù)，包括內(nèi)外環(huán)材料參數(shù)、滾子材料參數(shù)等，可根據(jù)選擇的具體型號(hào)確定材料的泊松比、抗壓應(yīng)力參數(shù)等。

1.3 軸承結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

滾動(dòng)軸承的參數(shù)化建模工作中，要詳細(xì)分析當(dāng)前該軸承的自身結(jié)構(gòu)，之后從中分析該軸承施加了應(yīng)力參數(shù)情況下的變形量和模態(tài)狀態(tài)，以分析是否可以抵抗受到的壓力參數(shù)。網(wǎng)格劃分中可以直接利用有限元分析軟件中的四面體單元進(jìn)行劃分。對(duì)于該方法的使用過程，可以自動(dòng)在接觸面上做出細(xì)化調(diào)整工作，該區(qū)域的網(wǎng)格密度和整體部分的密度比值為3∶1和10∶1兩種形式，以更為精確分析接觸面上的受力情況。對(duì)于軸承上的其他區(qū)域，需要調(diào)整網(wǎng)格的疏密程度，為了可以進(jìn)一步提高模量、變形量參數(shù)的分析精度，最終確定的網(wǎng)格疏密值參數(shù)為1。

2滾動(dòng)軸承的接觸強(qiáng)度研究工作

由于滾動(dòng)軸承的接觸強(qiáng)度分析目的是研究當(dāng)前被研究的軸承運(yùn)行質(zhì)量是否可以滿足工作指標(biāo)的要求，所以會(huì)通過已知型號(hào)軸承和被研究軸承協(xié)同對(duì)比的方法獲取專業(yè)數(shù)據(jù)，通過該方法才可使建成的專業(yè)化工作系統(tǒng)具有參考價(jià)值。具體研究結(jié)果如下：

2.1 靜力學(xué)分析結(jié)果

在具體的分析中，主要探究對(duì)象為軸承滾珠部分的受力情況，選擇的材料為GCr15鋼，材料參數(shù)中的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.83×103kg/m3，通過向該軸承施加外力，分析滾子受到壓力最大情況下的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，之后分析載荷逐漸增加狀態(tài)下的接觸應(yīng)力情況。設(shè)定的載荷范圍為[500，5000]（單位：N），載荷提高步長為500N/次，通過對(duì)于接觸應(yīng)力的分析，可以確定在不同的外力施加點(diǎn)上，兩個(gè)建模軸承的接觸應(yīng)力基本相似，所以從該結(jié)果上可以推斷，由于原有的滾動(dòng)軸承可以保持穩(wěn)定運(yùn)行，則本文建模的軸承運(yùn)行質(zhì)量也可以得到保障，則可確定采用GCr15鋼材料制造軸承的滾子可以滿足系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。另外從數(shù)值上來看，當(dāng)施加的載荷不高于2500N時(shí)，兩個(gè)軸承之間的靜力學(xué)誤差量相對(duì)較大，但處于允許范圍，而當(dāng)施加的載荷不小于2500N時(shí)，則兩個(gè)被研究模型的參數(shù)誤差值較小，誤差比例不高于5%，則可以認(rèn)為該軸承可以匹配相關(guān)工作環(huán)境。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

動(dòng)力學(xué)分析工程主要是分析在軸承運(yùn)行狀態(tài)下各個(gè)滾子承受的力，為了降低分析難度，采取的參考系變換方式進(jìn)行分析，即對(duì)于某滾子施加外力的方向和大小進(jìn)行設(shè)置，分析不同力學(xué)參數(shù)下該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形情況[2]。從最終展現(xiàn)的結(jié)果上來看，在外力和垂直線夾角范圍[0，45]（單位：度），即滾動(dòng)軸承滾子開始受到載荷影響時(shí)，建模分析的軸承和對(duì)比軸承的受力、模態(tài)參數(shù)基本相同。對(duì)于數(shù)值方面的影響，可以按照靜力學(xué)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 針對(duì)滾動(dòng)軸承的處理

通過對(duì)于檢測結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，在本文參數(shù)化建模研究的滾動(dòng)軸承中，滾子部分采用GCr15鋼之后，實(shí)際運(yùn)行中的滾子運(yùn)行質(zhì)量可以滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求，所以可以認(rèn)為按照該方法制造的滾動(dòng)軸承具有可以符合運(yùn)行指標(biāo)的運(yùn)行水平。后續(xù)的處理工作主要是針對(duì)滾動(dòng)軸承內(nèi)外環(huán)材料的選擇和優(yōu)化，同時(shí)要詳細(xì)分析對(duì)該系統(tǒng)的注油方式，以防止在運(yùn)行中出現(xiàn)過大程度磨損和振動(dòng)噪聲。

3結(jié)束語

綜上所述，滾動(dòng)軸承的參數(shù)化建模工作中，建模過程涉及該構(gòu)件的尺寸確定、材料參數(shù)的輸入、網(wǎng)格的劃分等工作，同時(shí)接觸面區(qū)域要經(jīng)過重點(diǎn)分析。從對(duì)比分析結(jié)果上來看，被研究的滾動(dòng)軸承在實(shí)際運(yùn)行中可以保持安全性與穩(wěn)定性，具體的使用中僅需要對(duì)其注油維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張軍飛.雙列圓錐滾子軸承的動(dòng)力學(xué)分析模型[D].大連：大連理工大學(xué)，2019.

[2] 李淵.基于ANSYS的彈性支承軸承分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.