軸承工作過程中的摩擦狀態分析

摘 要：闡述鋼絲滾道球軸承在工作過程中主要的摩擦形式的基礎上，采用大型有限元分析軟件對單球雙滾道鋼絲滾道球軸承的摩擦狀態進行了初步的仿真分析。

關鍵詞：軸承；摩擦；仿真

0 前言

接觸面的形狀與尺寸影響到物體間的摩擦。只有在理想狀態下的接觸點或者接觸面才能產生純滾動。一旦形成接觸面，必然伴隨有滑動。通常，鋼絲滾道球軸承在載荷的作用下，形成橢圓面接觸，因此計算鋼絲滾道球軸承時摩擦是必須考慮的因素。本文將對鋼絲滾道球軸承工作過程中產生的幾種主要的摩擦形式進行分析。并對其仿真進行了初步的探討。

1 鋼絲滾道球軸承摩擦力和摩擦力矩產生機理

滾動軸承在工作的過程中，由于受到預緊和工作載荷的作用，會產生摩擦，摩擦的主要形式有以下幾種：

(1)彈性滯后引起的滾動摩擦：滾珠在載荷的作用下沿滾道表面滾動，接觸表面下的材料產生彈性變形。在接觸消除后，彈性變形的主要部分恢復。但是，通常在載荷增加時，給定應力所對應的變形總量總是小于載荷減小時的變形，稱為彈性滯后，反映了一定的能量損失，表現為滾動摩擦阻力。

(2)差動滑動引起的摩擦：若接觸面上任意單元面積的切向力與接觸壓力成正比，可以推出滾動體沿軸承滾道滾動時因為差動滑動所引起的摩擦力矩。

(3)自轉滑動所引起的摩擦：對于滾動軸承在運轉時，滾珠沿套圈滾道可能產生繞接觸面法線的旋轉運動。由此引起的滑動，成為自旋滑動。同時由自旋滑動產生摩擦力和摩擦力矩。

(4)潤滑劑的粘性摩擦：潤滑劑和潤滑方式對軸承摩擦力和摩擦力矩具有重要的影響。由于潤滑劑的作用，滾動體與鋼絲滾道之間形成彈性流體動力潤滑膜，各個滑動接觸部位的摩擦系數有所改變。軸承運轉時，滾動體通過充滿油氣混和物的空間，受到繞流阻力，成為擾動阻力，產生摩擦力和摩擦力矩。

2 鋼絲滾道球軸承工作工程有限元仿真

在充分考慮鋼絲滾道球軸承在工作過程中的預緊，摩擦等因素，在ANSYS里建立起單球雙滾道，得到良好的接觸形態，并對其摩擦狀態進行了有效的仿真分析。

2.1 單球雙滾道接觸有限元模型的建立

由于鋼絲滾道球軸承結構較復雜，為了建模分析方便，同時為了突出觀察得主要內容。首先考慮對滾動體與相對的兩根鋼絲滾道這種簡單情況進行建模仿真。

(1)實體模型建立。

同樣為了簡化計算，突出重點，我們只需要考慮其中的一個滾動體的情況進行仿真。考慮所研究的鋼絲滾道球軸承屬于密珠軸承且尺寸較大，鋼絲滾道的曲率半徑對滾動體與滾道接觸的分析影響較小，所以可以首先把鋼絲滾道作為直線滾道處理。為了能方便的施加自由度約束和載荷，同時也為了以后觀察結果的方便，建模中，滾動體取半個滾珠進行建模，同時只取與滾動體相接觸的兩鋼絲滾道的各四分之一。實體模型建立如圖1。

圖1 單球雙絲軸承實體模型

(2)網格的劃分。

對軸承的點接觸問題進行分析中，鋼絲滾道和滾動體均采用了SOLID 92單元，這樣的單元劃分對分析點接觸問題既精確又便于突出點接觸部分的細節。在單球雙滾道模型中，因為不但要施加預緊的載荷產生接觸應力，還要使鋼絲滾道有相對運動來模擬實際工作中軸承的情況，所以在單球雙絲鋼絲滾道球軸承的有限元模型中，鋼絲滾道的網格劃分采用了沿鋼絲軸向相對規則的單元——SOLID 185。最后網格劃分結果如圖2。

圖2 單球雙絲軸承有限元模型

2.2 單球雙滾道接觸有限元模型仿真結果分析

(1)預緊的過程。

在第一個載荷步的施加的過程中，通過給兩根鋼絲滾道中心軸線0.3mm的相對位移，來達到對單球雙絲鋼絲滾道球軸承的預緊的效果。仿真與實際工程應用一樣，可以對預緊量的大小進行調解，使得變形量，預緊力大小控制在一個合適的范圍內。這是因為預緊量過小，可能使工作過程中，滾動體與滾道之間出現間隙，產生沖擊，影響軸承的正常工作。預緊量過大，可能使預緊力過大，使鋼絲或者滾動體產生較大的塑性變形，也不利于軸承的正常工作和延長軸承的使用壽命。

圖3 預緊過程接觸壓力

圖4 施加預緊后的應力云圖

從圖3可以看出，在預緊的作用下，鋼絲滾道與滾動體所產生的預緊壓力最大值為3170MPa，而預緊產生的摩擦應力最大值為36.2MPa，遠小于預緊壓力的值。這是因為預緊的過程中，由于對滾動體的約束，滾動體與兩根鋼絲滾道之間基本沒發生相對運動，所以摩擦作用很微弱。從圖4接觸區應力云圖可以看出：鋼絲滾道與滾動體之間產生1850MPa的預緊應力，該應力足以保證在正常工作工程中，滾動體與鋼絲滾道之間不至于產生間隙。同時從放大的應力云圖可以看出，相同的材料下，鋼絲滾道的預緊應力要遠大于滾動體中的預緊應力。

(2)正常工作過程中的仿真分析。

為了模擬軸承的運轉工作情況，在單球雙絲的有限元模型中，施加第二個載荷步，兩根鋼絲沿軸線方向上的相對位移。

從圖5和圖6我們可以看出，工作過程中產生的接觸壓力最大值為3360MPa，而工作過程中產生的摩擦應力最大值為57.7MPa。接觸壓力和摩擦應力相比預緊時增幅均不大，這說明該模型的滾動形態比較好，產生的摩擦的影響較小。從圖7和圖8可以看出。工作過程中，最大應力為2080MPa，比只在預緊作用下靜壓的狀態的應力稍大。考慮到滾動體與鋼絲滾道之間存在0.3的摩擦系數，在有相對運動的過程中要產生一定的摩擦阻力，應力略有增大是很合理的。

圖5 工作過程的接觸壓力

圖6 工作過程的摩擦應力

圖7 工作過程中的應力云圖

圖8 應力云圖局部放大

同時從仿真的結果可以看出，由于存在相對運動，鋼絲與滾動體之間產生摩擦，由于摩擦的存在，使接觸區相對于靜態情況下產生了一定的變化。具體體現在：首先，接觸區域影響區域變大。在靜態情況下，接觸應力僅在接觸點附近很近的很小的范圍內存在，此處應力值很大，隨著與接觸區的距離的增加，接觸體內的接觸應力就迅速減小到可以忽略的程度，這與非協調接觸理論定性分析的經典定理——圣維南定理相吻合。而在工作過程中，產生相對運動和摩擦的情況下，接觸區有應力的范圍大大的增加，這是因為，在相對運動的過程中，接觸區的接觸應力已經超過了材料的屈服極限，所以運動的過程中，接觸區將產生塑性變形，在脫離接觸區后，仍舊有一定的殘余變形，從而導致有一定的殘余應力。

圖9 主動鋼絲上接觸點變形

圖10 固定鋼絲上接觸點變形

(3)鋼絲滾道滾動路徑上某點沿徑向的位移。

用時間歷程后處理器進行觀察如圖9，圖10，取鋼絲滾道與滾動體相對運動路徑上的某點為研究對象。從鋼絲上點的變形隨時間的變化情況可以看出：由于接觸應力超過了材料的屈服極限，上下滾道均產生塑性變形。主動鋼絲上的塑性變形約0.12mm，固定鋼絲上的塑性變形約0.08mm。主動鋼絲上產生的塑性變形要大于固定鋼絲上產生的塑性變形，這與我們模型施加載荷的方式有關，由于所施加的預緊和鋼絲之間軸向的相對位移均加在上鋼絲上，從而使該鋼絲產生的應力要大于被固定的鋼絲中的應力，因此，塑性變形的量也要略大。

顯然，通過單球雙滾道鋼絲滾道球軸承的仿真，得到了靜態預緊和工作過程中的接觸應力分布，了解了軸承工作過程中的摩擦狀況，為實際的工程應用提供了一定的看法，但是，理論的模擬只是一種驗證，通過實驗的認證分析是必須的。

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