基于虛擬樣機技術的滾滑軸承動力學仿真分析

盧黎明，龔賀師，熊國良，馬冰冰

(華東交通大學 機電工程學院， 南昌 330013)

軸承是機械裝備中的重要基礎件，在生產實踐中使用十分廣泛。然而在一些低速重載工作環境中，軸承的疲勞磨損問題十分嚴重[1]，為此在文獻[2]研究的基礎上進行了深入研究，設計了一種滾滑軸承[3]，其主要由外圈、滾子、滑塊和內圈組成。有關滾滑軸承的一些性能，如運動平穩性，在受力運轉過程中滾子和滑塊的受力情況等亟待確定。

針對滾滑軸承的受力運動情況，運用Pro/E軟件進行滾滑軸承三維實體建模，然后利用虛擬樣機技術的ADMAS虛擬樣機分析軟件進行滾滑軸承運動學和動力學動態仿真，分析研究滾滑軸承的運動平穩性和其元件的受力情況，為滾滑軸承的進一步深入研究和實際使用提供理論依據。

1 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術，其核心部分是多體系運動學與動力建模理論及其技術實現。它是在產品設計開發過程中，將分散的零部件設計和分析技術揉合在一起，在計算機上建造出產品的整體模型，并針對該產品在投入使用后的各種工況進行仿真分析,預測產品的整體性能,進而改進產品設計、提高產品性能的一種新技術[4-5]。

虛擬樣機通常包括3個主要模塊：(1) 3D立體模塊，具備完善的物理模型描述能力；(2)人際交互模塊，虛擬樣機技術以虛擬現實技術為基礎,實現產品模型的逼真顯示、動畫仿真和人機交互；(3)測試評估模塊，產品模型分析和評價是虛擬樣機技術的核心，主要包括產品可制造性分析和產品性能評價,例如產品幾何形狀、空間布局、結構學分析、動力學分析、可加工性分析、可裝配性分析及可維護性分析等等。

2 滾滑軸承的建模與仿真

2.1 幾何模型的建立

滾滑軸承由內圈、外圈、圓柱滾子和滑塊組成，結構參數為：軸承內徑38.35 mm，軸承外徑77.8 mm，軸承寬度23 mm，滾子直徑11.9 mm，滾子長度28.6 mm,滑塊高度11.9 mm，滑塊中心弧長28.4 mm，滑塊寬度21.05 mm，滑塊外弧直徑62.14 mm，滑塊內弧直徑57.77 mm，滾子數6個，滑塊數6個。通過這些結構參數的設定，滑塊可承擔大部分載荷，能降低滾子與套圈的接觸應力；滑塊與滾子為相隔分布，這樣內、外圈上的滑動摩擦是間斷性的，散熱性好。

根據上述條件，運用Pro/E軟件進行建模，得到滾滑軸承的立體模型如圖1所示。

2.2 虛擬樣機的建立

將在Pro/E中建好的模型另存為x_t格式,然后導入ADAMS中，由于導入ADAMS中的幾何模型為曲面模型，故須對其進行實體化。假定滾滑軸承材料為45#鋼,外圈與大地采用固定副連接，這樣可以使外圈固定不動；內圈采用轉動副連接，并且對其賦予恒定轉速；施加于內圈上的載荷為恒定載荷。由于滾子、滑塊、內圈和外圈之間在運動時會產生碰撞，利用 ADAMS 軟件中的三維實體接觸類型solid to solid 選項來定義它們的碰撞力。將Pro/E中建好的模型及上述條件導入ADAMS中，得到滾滑軸承虛擬樣機如圖2所示。

圖1 滾滑軸承立體模型

2.3 動態仿真

在上述滾滑軸承虛擬樣機的基礎上，設定滾滑軸承的轉速為1 400 r/min，軸承內圈受到的恒定載荷為1 000 N，代入ADAMS 軟件進行滾滑軸承的運動學和動力學仿真，可得滑塊隨時間的振動位移如圖3所示，滾子隨時間的振動位移如圖4所示，滑塊隨時間的受力情況如圖5所示，滾子隨時間的受力情況如圖6所示。

圖2 導入ADAMS中的滾滑軸承

圖3 滑塊的振動位移

圖4 滾子的振動位移

圖5 滑塊的受力情況

圖6 滾子的受力情況

3 仿真結果分析

由圖3及圖4可知，在0～ 0.3 s，滾子和滑塊并未隨內圈的轉動而轉動，其原因是摩擦力影響，在0.3 s后，克服了摩擦力開始隨內圈的轉動而轉動，這符合滾滑軸承的實際轉動情況。另外，從圖中還可以看出滾子和滑塊上下振動幅度較小，振幅在0.5 mm左右，由此可知：滾滑軸承運行比較平穩，能有效避免產生大量的熱量和噪聲。

由圖5可知，當滑塊處于最底端，滾滑軸承剛啟動時，滑塊平均受力1 000 N，圖中波形比較穩定，沒有出現較大的波動，隨著滑塊位置的上升，其受力逐漸減少，最后穩定在500 N左右，符合實際情況。由圖6可知，滾子平均受力50 N，滾子受到的力遠遠小于滑塊受到的力。由此可以看出，滾滑軸承受力部分主要是由滑塊承擔，這樣可有效減小滾子的接觸應力，與設計初衷很吻合。

4 結論

(1)滑塊承擔了主要的載荷，滾子受到的載荷則相對較小，滾子與內、外圈間的接觸應力減小，從而在相同條件下滾滑軸承比滾動軸承具有更長的使用壽命，符合設計初衷。

(2)滾子和滑塊的相對振動幅度較小，滾滑軸承具有滾動軸承同樣的平穩工作性能。