基于柔性支撐的轉盤軸承性能及結構參數(shù)研究

練松偉 盛一鳴 劉文勝

摘要：大型轉盤和普通標準兩種軸承都有著轉速低和支撐剛度低的特點，并且軸承變形的支撐結構會對其接觸載荷造成負作用，最終影響軸承的性能。對此，則需要圍繞其相關參數(shù)作更深層的探究分析。本文結合軸承所需的柔性支撐條件，對轉盤軸承的承載力、疲勞壽命等性能參數(shù)作研究。其中，還結合軸承性能相關參數(shù)和標準，提出了相關的分析模型，這不僅為設計轉盤軸承提供了參考思路，也能提高軸承的性能表現(xiàn)和節(jié)約成本。

關鍵詞：轉盤軸承;模型;優(yōu)化設計;參數(shù)研究

中圖分類號：TH133.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0067-02

1? 轉盤軸承概述

1.1 轉盤軸承現(xiàn)狀? 大型轉盤軸承作為機械傳動中重要構件，廣泛作用于各種機械領域，比如工程機械、材料加工機械以及醫(yī)療機械等機械設備。國外對于轉盤軸承的生產(chǎn)及研發(fā)起步較早，多數(shù)產(chǎn)品由軸承公司進行專業(yè)化生產(chǎn)。目前而言，我國主要生產(chǎn)軸承的類型主要是單排四點類型，由于此類軸承的技術含量低，大部分廠家都能自主完成此類軸承的生產(chǎn)。但涉及到雙排、滾子式以及其他特殊用途的先進軸承等研究則很少。因此，風電設備中的變槳軸承等高端轉盤軸承仍然需要進口才能滿足我國的生產(chǎn)需求，并且在當下軸承也有場景和需求愈發(fā)嚴苛的情況下，我國高端軸承的需求規(guī)模會越來越大。

1.2 轉盤軸承特點? 轉盤軸承與普通軸承基本組成相同，主要構件都是有滾道的滾圈和滾動體。但是，與普通類型不同的是，轉盤軸承的設計選型與普通類型差異巨大，主要表現(xiàn)為以下幾點不同：①尺寸大小不同，轉盤軸承的尺寸直徑一般為0.3-15m，最大直徑可達60m;②承載力不同，轉盤軸承在應用場景中主要需要面對多種力的作用力，其中包括徑向力、軸向力等;③轉速低，轉盤軸承在實際作業(yè)時的一般轉速較低;④固定方法不同，普通類型的軸承一般通過嵌套與心軸進行連接和固定，而轉盤軸承一般通過螺栓和螺釘?shù)扰c其支撐結構作固定連接; ⑤主機驅動方式不同，大多轉盤軸承主要通過設置齒圈為來使主機旋轉。

1.3 結構類型? 由于轉盤軸承的作用領域多種多樣，因此此類軸承的結構類型也十分繁多，根據(jù)滾動體的不同，可主要劃分為線接觸和點接觸兩大種。其中，點接觸類型有接觸應力大于線接觸類型、摩擦力矩也較小以及加工工藝較復雜等特點。而線接觸類型與點接觸的特點相反，不僅對安裝精度要求高，并且容易因為支撐結構的剛性和抗彎等特點導致邊緣接觸。因此，點接觸類型的軸承主要針對的是支撐結構的剛性參數(shù)難以面對應用需求的情況，而線接觸類型的軸承則是本身的剛度就比較大。本文將采用點接觸類型的軸承作為分析對象。

1.4 材料和制造工藝? 轉盤軸承所出的實際作業(yè)環(huán)境一般而言都較為惡劣，這便對制造材料的抗拉、抗剪抗壓和韌性等性能指標有較高要求。倘若轉盤軸承會長時間工作在腐蝕性的環(huán)境中，制造材料則需要具備抗腐蝕的性能。為了保證齒部和滾道的韌性，一般會對其作淬火處理，因此應選擇含碳量低于0.6%的材料。目前用于制造軸承的鋼材主要有42CrMo和GCrl5，此外還會利用Mn、Si等混入材料以達到優(yōu)化其韌性和耐磨性的目的。

在制造工藝方面，主要是鍛造、鑄造和軋制三大方法來對套圈和齒圈等構件毛坯進行加工。當遇見制造大型的構件毛坯時，則需要通過分段式的焊接來完成。

2? 柔性支撐轉盤軸承模型

將轉盤軸承內套圈和外套圈劃分為多段，并且利用小段的套圈來連接相鄰兩段，則可得到簡化的柔性支撐轉盤軸承模型，并作假設如下：①假設滾道與滾球兩者間的接觸情況符合應用赫茲接觸理論的基本條件;②假設所劃分套圈的所有小段都是完全剛性，并且只有這些剛性段與滾球和滾道之間存在接觸面是才會發(fā)生彈性形變。此外，由于軸承套圈轉角為零，所以每一個剛性段只擁有兩個轉動和三個平動共五個自由度;③用螺栓將轉盤軸承的套圈和套圈的支撐結構進行連接，再加上足夠大的預緊力，所以可做出軸承的套圈和套圈的支撐結構在接觸結合面處完全粘合的假設;④而非接觸的軸承套圈的變形則集中于套圈間的連接段，即可將套圈的連接段視為彈簧，此彈簧在剛度方面恰好包括彈簧所處位置的原套圈以及其支撐結構兩者的剛度。

3? 轉盤軸承結構參數(shù)

3.1 承載能力? 一般來說，主要有兩種類型的方法可以計算出轉盤軸承所能承受的最大載荷的方法，分別在剛性套圈和柔性套圈的基礎上完成計算分析的，其中，柔性套圈類方法中的有限元方法具有現(xiàn)成公式可用，不僅易于計算，也方便普及。但是，這種方法在計算過程中未考慮軸承的游隙等因素，因此主要用于估算轉盤軸承的相關參數(shù)，至于校核轉盤軸承的強度時則不建議使用。

3.2 設計參數(shù)參考因素? 在進行轉盤軸承的設計工作時，通常是需要事先指定相關的尺寸、軸承作業(yè)場景所面對的載荷以及作業(yè)環(huán)境等。此外，在設計變槳軸承等具有專門用途的特殊轉盤軸承時，在尺寸等方面需要參考行業(yè)先進的標準。因此，本文最主要考慮的是軸承的初始接觸角、游隙、滾球尺寸和數(shù)量等參數(shù)對軸承載荷能力的影響程度。

4? 轉盤軸承性能分析

4.1 疲勞壽命與結構參數(shù)? Lundberg-Palgrcn是當前使用最為普遍的一種與軸承疲勞計算相關的理論，但其理論核心所關注的是當時的軸承技術，因此也難以適應現(xiàn)如今大為精益的軸承生產(chǎn)技術的疲勞壽命計算需求，因此標準額定載荷需要引入相關系數(shù)來評定軸承的疲勞壽命等相關性能。此外，軸承自身材料的物理性能和軸承的作業(yè)環(huán)境等都會對其疲勞壽命有著較大影響，故而在先進行業(yè)標準中一般會有許多的修正系數(shù)來對疲勞壽命的評估結果進行修正。

在同等的作業(yè)環(huán)境中，軸承的制造、材質以及結構參數(shù)都對其壽命有所影響。因此，在控制變量的思路下，保持疲勞作業(yè)的程度相同，以計算軸承在不同的結構參數(shù)下的疲勞壽命時間，最后從中分析出初始接觸角等結構參數(shù)對軸承疲勞壽命的影響程度。具體表現(xiàn)為：①初始接觸角，當初始接觸角和軸向力不斷增大，軸承所具備的承載力也在增大，并且增幅也在不斷擴大，軸承的額定壽命也會越長;②游隙，當正游隙的值比較大時所出現(xiàn)的沖擊載荷很大，會對軸承的壽命造成負面影響，因此需要選擇額定壽命大的負游隙和小正游隙;③滾球，滾球的個數(shù)和直徑也是軸承疲勞壽命的重要影響因素，滾球直徑越大能顯著提高軸承的疲勞壽命。綜上，為了提高軸承的疲勞壽命，應當選取大初始接觸角、小絕對值游隙和大直徑滾球來制造軸承。

4.2 螺栓連接和載荷分析? 螺栓作為轉盤軸承中起到連接和載荷作用的重要構件，帶有轉盤軸承的工作裝置所面臨的載荷和重量都是通過螺栓將力過渡到裝置底部，倘若螺栓有所損壞，必定會對整個工作裝置和機械系統(tǒng)造成破壞。因此，軸承在設計制造之前需要對螺栓作可靠的分析與設計。本文在此將通過分析和計算來對整個轉盤軸承的單個螺栓所承受的力作用，再結合設備中需要承載力最大的螺栓作計算和分析。

通常來說，對軸承中的螺栓進行接觸分析時，普通的有限元方法依賴于接觸對的數(shù)量，這種分析和計算方法不論對計算機的硬件配置要求高，也十分耗時。因此，可通過等效螺栓的方式來分析單個螺栓的載荷。通過分析，可知軸承在應力作用下外圈變形不均勻，這意味著外圈的支撐結構在剛度上也分布不均，而內圈變形均勻則代表內圈剛度在圓周方向上均勻分布。

通過簡化和等效替代的方法，利用梁單元代替螺栓完成接觸作用，而滾道和滾球之間則改用彈簧單元接觸，從而完成分析螺栓所承受的內外作用力的方向，以及應力所作用的位置對軸承在軸向分析所能承受載荷的影響。使用該簡化和等效方法分析了轉盤軸承所有的單個螺栓所承受的總載荷，再重點關注螺栓組中受載力最大的單個螺栓做了校核，以增強其強度。

4.3 軸承結構的參數(shù)優(yōu)化? 針對軸向游隙、初始接觸角、滾球直徑和數(shù)量來對轉盤軸承進行參數(shù)優(yōu)化改造。

為了符合實際的應用場景和提高優(yōu)化的效果，在設計約束條件時應當考慮不同的作業(yè)環(huán)境下，所設計的約束條件也應該有所不同，以此避免計算出與實際場景不符的結果，進一步提升優(yōu)化效果。①游隙，從前文敘述可知，為優(yōu)化轉盤軸承的性能，一般采取絕對值小的游隙，可采用絕對值小于0.05mm的游隙;②初始接觸角，從經(jīng)驗和軸承的穩(wěn)定度進行考慮，可將初始接觸角的范圍設置在35°到60°之間;③滾球尺寸和數(shù)量，由前文可知滾球的直徑越大越能大幅增加軸承的壽命，因此在綜合權衡滾球的直徑和數(shù)量的情況下，滾球直徑的范圍在60mm到77mm之間，數(shù)量則應當在滿足直徑約束的情況下盡可能取最大值;④邊緣受載，在傾覆力矩或者是軸向力的作用下，倘若接觸角和接觸力過大則會導致接觸區(qū)域發(fā)生邊緣受載，有可能會導致接觸橢圓逐漸偏離甚至是脫離出滾道區(qū)，最終造成軸承因應力過于集中而被破壞。此時，倘若軸承支架的剛度較低的話，則會出現(xiàn)更為嚴重的邊緣受載問題。

在標準載荷、作業(yè)場景和安裝尺寸下，將最大接觸應力作為求解目標，則可得到在約束條件下的映射函數(shù)，以此作為優(yōu)化模型。之后，再使用matlab所具備的算法優(yōu)化功能對模型進行優(yōu)化求解。最后，得到滿足模型的最優(yōu)數(shù)據(jù)組，則代表在游隙為0.026mm、初始接觸角為60°以及滾球直徑為77mm的情況下，能夠較大程度的提高軸承的力學性能表現(xiàn)。

5? 結論

轉盤軸承擁有低轉速、支撐剛度分布不均和支撐剛性差等特點，這些特點恰恰與普通類型的滾動軸承有所不同。本文提出了符合轉盤軸承力學特點的優(yōu)化模型，并且通過matlab完成了求解。具體而言：①本文所提出的優(yōu)化模型確實能夠改善轉盤軸承的載荷性能;②倘若軸承的支撐結構有所形變則容易致使其接觸載荷明顯改變，進而會對轉盤軸承的相關使用性能表現(xiàn)造成負作用。此外，支撐結構本身的剛性強弱以及剛度的分布是否均勻都會影響到支撐結構的形變狀況，這也是造成軸承的接觸角和接觸力增大的重要原因。故而，一旦轉盤軸承在軸向和沿彎矩方向上載荷過大，再加上軸承自身的支撐結構的剛度在沿圓周方向上分布不均，此時轉盤軸承所具備的載荷能力就會降低;③在設計優(yōu)化模型時，首先分析了轉盤軸承的主要性能，包括轉盤軸承的疲勞壽命的分析計算，以及軸承連接螺栓對軸承載荷的影響。最主要考慮的就是轉盤軸承的初始接觸角、軸向游隙、滾球尺寸及滾球數(shù)量等主要因素對轉盤軸承的載荷能力的影響。

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