轉盤軸承螺栓安裝孔有限元分析*

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(1.遼寧機電職業技術學院 自動控制工程系，遼寧 丹東 118009；2.瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧 大連 116300)

0 引言

轉盤軸承是一種大型滾動軸承，與普通軸承相比，具有尺寸大、承受著多方向的力與傾覆力矩作用等特點。本文所設計的軸承，應用在海上石油機械上，處于海下環境,對軸承的安全性和尺寸精度有很高的要求。傳統的轉盤軸承設計一般采用經驗法，本文所設計的三排圓柱滾子式轉盤軸承，采用經驗法與有限元分析法相結合。在利用經驗法設計出轉盤軸承基本結構、保證安全性的基礎上，用有限元方法對轉盤軸承的螺栓安裝孔進行靜力分析，驗證設計的合理性。兩種方法的結合可以提高轉盤軸承的設計效率和降低軸承的設計與制造成本，使軸承在滿足承載能力的要求下，還符合綠色化的要求，同時，也為其它軸承的設計和改進提供了參考依據。

1 軸承設計

圖1 軸承結構

根據客戶提供的載荷、使用場合及與軸承的連接結構，采用三排圓柱滾子式轉盤軸承。該類軸承主要應用于負荷較大的場合中，其中，兩個方向的軸向力以及傾覆力矩主要由上下兩排水平滾子承受，徑向力則由垂直布置的第三排滾子承受。因此類軸承滾道接觸形式為線接觸，接觸應力很低，變形量(包括端面變形量)很小，故承載能力很高。軸承內外圈材料采用42CrMo[4]，調質處理，硬度：240-290 HB，滾子采用GCr15SiMn,鑄鋁隔離環，滾道表面進行表面淬火，硬度53-60 HRC，有效硬化層深度，軸向不低于5 mm，徑向不低于3 mm。軸承內部填充潤滑脂。為了防止軸承內部潤滑脂泄露，及外部海水和其他雜質的進入，兩個外圈連接處采用兩個O型圈密封。內外圈采用單獨設計的密封圈進行密封，此密封圈帶有復唇，可提高密封效果[5]。軸承設計結構如圖1所示。

2 軸承分析模型

圖2 軸承網格模型

使用分析軟件ANSYS12.0對轉盤軸承進行靜力分析。首先要建立軸承的有限元分析模型，獲得分析模型的方法主要有3種途徑：實體建模、直接建模和利用軟件提供的數據接口從其他CAD系統中導入實體模型。本文采用Pro/e軟件進行建模，之后利用數據接口將模型導入到ANSYS軟件中。在建模的過程中，將不影響分析結果的倒角、倒圓等忽略。選擇Solid92單元進行有限元網格劃分，此單元為三維實體10節點四面體單元，是帶有中節點的二次單元。

軸承的材料為42CrMo，在材料屬性中輸入材料的彈性模量為“2.12e11”、泊松比為“0.28”，采用自由網格劃分，得到軸承的有限元網格模型如圖2所示。

3 軸承模型加載

轉盤軸承在運轉過程中，受到軸向力、徑向力以及傾覆力矩作用，力及力矩通過螺栓施加到螺栓孔壁上，由于轉盤軸承的受力分析比較復雜，通過合理的簡化，我們采取極限應力進行分析，分析針對內圈螺栓孔壁。

為了分析螺栓孔內壁的厚度是否滿足要求，根據模擬的實際情況，將內圈徑向滾子的接觸面進行全約束。

根據客戶提供的載荷，將最具有破壞力情況的載荷進行等效加載，此時力的大小為：495 kN。

圖3 軸承約束與加載圖

為了模擬實際的情況，將等效的壓強加載到一個安裝孔的半側面上。將力等效為壓強，可以得到：P=131.2 MPa。將等效的壓強加載到模型中，得到約束和加載圖如圖3所示。

4 計算分析

從計算結果中提取模型的節點應力云圖如圖4所示,單元應力云圖如圖5所示。

圖4 軸承節點應力圖

圖5 軸承單元應力圖

從分析結果中看出，軸承最大節點等效應力為：236.723 MPa，最大單元等效應力為：264.385 MPa，而42CrMo的許用應力310 MPa。所以螺栓孔壁厚滿足要求，并且具有一定的優化空間。

5 結論

本文通過軸承的設計與分析得到如下結論：

1)根據軸承的使用場合、載荷大小等要求，設計了三排圓柱滾子式轉盤軸承。

2)利用有限元分析軟件ANSYS對轉盤軸承的螺栓安裝孔進行了靜力學分析。通過分析，得到了最大應力的部位和數值。

3)通過ANSYS驗證了經驗法設計軸承的合理性。

4)分析結果，為軸承設計以及與其相鄰裝配零部件的進一步優化設計提供了科學的參考依據。

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