雙半內(nèi)圈角接觸球軸承有限元分析

趙 燕，公 平，徐 雷

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150025）

雙半內(nèi)圈角接觸球軸承有限元分析

趙 燕，公 平，徐 雷

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150025）

在對(duì)雙半內(nèi)圈角接觸球軸承進(jìn)行合理的建模和網(wǎng)格劃分后，通過PERMAS有限元軟件對(duì)軸承接觸應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，了解該軸承應(yīng)力分布狀況，為軸承的性能分析提供了依據(jù)。

雙半內(nèi)圈角接觸球軸承；接觸應(yīng)力；軸承性能；有限元分析

1 前言

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，并利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

以某雙半內(nèi)圈角接觸球軸承為例，該軸承外形結(jié)構(gòu)尺寸為133mm×201mm×39mm，鋼球直徑為22.225mm,共20粒，軸承內(nèi)圈、外圈及鋼球材料均為M50鋼，在工作載荷下通過PERMAS軟件對(duì)鋼球表面的接觸應(yīng)力進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

圖1 軸承三維模型

圖2 1/4軸承結(jié)構(gòu)及有限元整體網(wǎng)格模型

2 有限元模型的建立

利用三維軟件UG建立該軸承的三維模型，如圖1所示。因軸承模型具有對(duì)稱性，故取1/2模型導(dǎo)入前處理軟件ANSA中，進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，部分網(wǎng)格模型如圖2所示。模型的基本單元尺寸為1.0mm，其中單元總數(shù)量為386,956，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為424,553。

該軸承的內(nèi)圈、外圈及鋼球均采用低合金軸承鋼M50材料，相關(guān)材料參數(shù)見表1所示。

表1 材料參數(shù)取值

3 約束與載荷施加

該軸承工作過程中，外圈與軸承座固連，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，軸承同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的聯(lián)合作用，因此，約束外圈最外表面單元節(jié)點(diǎn)的三個(gè)平動(dòng)自由度方向；對(duì)軸承內(nèi)圈的半圈表面進(jìn)行MPC耦合，耦合點(diǎn)為軸承的中心點(diǎn)。在耦合點(diǎn)上加載4 000N集中力，模擬軸承徑向載荷，方向?yàn)閥軸正方向；同時(shí)在軸承內(nèi)圈一側(cè)表面上加5 500N軸向力，分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)閦軸正方向，軸承約束與載荷方向示意如圖3所示。

圖3 約束與載荷示意圖

4 分析結(jié)果

建立有限元模型，約束外圈，在軸承的心部位置施加軸向（4 000N）和徑向（5 500N）聯(lián)合載荷后，對(duì)該軸承開展PERMAS軟件分析計(jì)算，獲得半圈軸承接觸應(yīng)力分布如圖4所示。從圖中可見位于最下端的鋼球表面接觸應(yīng)力值最大，最大接觸應(yīng)力值為813.1MPa，位于中心兩側(cè)的鋼球最大接觸應(yīng)力逐漸減小，最邊緣兩側(cè)的鋼球接觸應(yīng)力值為零，這是由于在分析過程中，未考慮工作游隙的原因。

由于受到軸向和徑向聯(lián)合載荷作用，鋼球與套圈接觸應(yīng)力印痕分別位于鋼球的兩側(cè)，與軸承中心位置呈現(xiàn)一定角度，鋼球剖視接觸應(yīng)力分布如圖5所示，軸承內(nèi)、外圈接觸印痕分布如圖6和圖7所示，內(nèi)圈最大接觸應(yīng)力為729MPa，外圈最大接觸應(yīng)力為475MPa，可見鋼球接觸應(yīng)力大于外圈接觸應(yīng)力，內(nèi)圈接觸應(yīng)力大于外圈接觸應(yīng)力。

值得注意的是，本次分析屬于靜力學(xué)分析，未考慮高速效應(yīng)和潤(rùn)滑油膜因素，分析結(jié)果符合軸承的力學(xué)規(guī)律，但由于計(jì)算機(jī)資源分析采用粗網(wǎng)格劃分，因此接觸應(yīng)力值只能作為參考，若想進(jìn)一步精確求解，還需細(xì)化網(wǎng)格劃分。

圖4 半圈鋼球接觸應(yīng)力分析

圖5 鋼球剖視接觸應(yīng)力分布

圖6 內(nèi)圈接觸應(yīng)力分析

圖7 外圈接觸應(yīng)力分析

5 結(jié)束語

通過PERMAS軟件對(duì)軸承開展接觸應(yīng)力的有限元分析，可較好地掌握軸承零件的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和受力狀態(tài)，可為軸承產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和使用性能分析提供有利的參考。

（編輯：王立新）

Finite element analysis of angular contact ball bearing with double half inner ring

Zhao Yan,Gong Ping,Xu Lei

(Bearing R&D Center,AVIC Harbin BearingCo.,Ltd., Harbin 150025,China)

After carrying on reasonable modeling and grid division meshing for angular contact ball bearing with double half inner ring, finite element analysis of contact stress of bearing was carried on by PERMAS finite element software in order to understand the status of the bearing stress distribution and provide the basis for the bearing performance analysis.

angular contact ball bearing with double half inner ring; contact stress; bearing performance; finite element analysis

TH133.33+1

A

1672-4852（2015）03-0003-02

2015-08-10.

趙 燕（1974-），女，高級(jí)工程師.