RomaxDesigner及RomaxCLOUD在軸承設計分析中的應用

牛青波,于曉凱 ,趙圣卿, 漆楚雋

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039 ；4.諾邁士科技(杭州)有限公司，杭州311201)

1 RomaxDesigner簡介

RomaxDesigner是英國Romax科技有限公司(以下簡稱Romax)開發的傳動系統領域先進的工程設計仿真分析軟件，主要應用于齒輪傳動系統虛擬樣機的設計和分析，在全球傳動系統設計領域享有盛譽，目前已成為汽車、風電及齒輪傳動應用領域的標準軟件。

軟件采用系統建模與分析的思想計算傳動系統變形及各部件上的載荷狀況，同時考慮系統中各部件之間的相互作用和影響，進而能夠進行齒輪修形設計、齒輪參數優化、同步器尺寸計算，能夠對系統中的齒輪強度、接觸應力、軸承壽命、軸疲勞進行計算，以及考慮齒輪箱箱體柔性情況的系統強度計算與分析、齒輪系統振動噪聲(NVH)預估等。

軟件考慮結構的整體系統分析方法，使得工程計算更貼近實際，同時與ABAQUS，ANSYS等有限元分析軟件可無縫連接，幫助用戶實現便捷的信息交互及數據交換。

2 RomaxDesigner中的軸承分析功能

2.1 分析內容

軟件不具備軸承結構設計優化模塊，不能對軸承進行詳細的結構設計和主參數優化，但軟件中內嵌了國內外先進軸承企業的軸承樣本數據，用戶在系統分析中通過設置安裝方式及預設安裝參數等，可快速從數據庫中選擇出符合系統需求的軸承。在分析方面，以整體系統的分析方法，考慮柔性結構以及預緊和內隙的影響，重點分析滾動體載荷分布、軸承壽命、接觸角、接觸應力、接觸面積等，分析結果及依據見表1。

表1 分析結果及依據

2.2 與其他有限元軟件的區別

有限元軟件的計算量與模型節點數量(剛度矩陣大小)的平方成正比關系，而軸承分析過程涉及接觸問題，需要大量的迭代計算才能得到軸承的位移及接觸應力，計算量大。例如，1套考慮所有接觸對的普通角接觸球軸承，簡單的靜力學分析至少需要30 h(分析過程在小型工作站上進行)，計算量大導致計算誤差大幅增加。若分析考慮軸承的機械系統，其計算誤差將更大。

RomaxDesigner可實現在同一模型中含有不同的建模方法：剛度矩陣、有限元模型、經典理論模型(如鐵木辛格梁單元)、接觸單元、接觸單元簡化模型，并將軸承中的接觸問題通過Hertz接觸理論簡化為彈簧，從而將接觸問題大大簡化，在保證計算精度的前提下，減少了計算量，分析結果滿足工程應用需求。分析流程圖及計算時間圖分別如圖1、圖2所示。

(a)有限元軟件

圖2 計算時間圖

3 RomaxCLOUD軸承專業設計與分析軟件簡介

面對日益復雜和嚴苛的工程項目，軸承設計與分析軟件的用戶體驗與功能亟待提升，依據云計算，洛陽軸研科技股份有限公司聯合Romax推出了以網頁為載體的軟件服務來滿足以上需求，并把當前設計與分析一體化推廣到中小軸承企業中。

云計算能在很大程度上促進協同創新設計，簡化設計流程,并大大縮短產品推向市場的周期。與購買傳統設計與分析軟件相比，RomaxCLOUD用戶不需要在硬件、軟件、人員方面花費大量的投資，而只需要按年支付服務費用，通過互聯網便可享受到相應的硬件、軟件和技術支持服務，并享有軟件的使用權和升級權。軟件在線平臺本身的管理員權限管控將使企業管理變得簡潔與透明，再加上領先的Romax軸承分析技術與微軟云服務平臺的可靠性，該軟件及服務平臺將會為軸承行業帶來革命性的發展。

目前，RomaxCLOUD V1.0版主要集成了5種軸承類型的優化設計和標準的軸承庫：深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和滾針軸承，能夠快速進行軸承設計及分析，交付符合軸承標準的產品設計圖紙和完整的設計、分析計算報告，同時用戶可以創建屬于自己公司的軸承知識數據庫。軟件登錄界面如圖3所示。

圖3 軟件登錄主界面

4 基于RomaxCLOUD的軸承設計與仿真分析案例

4.1 設計及優化

以重載汽車用圓錐滾子軸承32222為例，介紹RomaxCLOUD設計過程，軸承結構主參數設計如圖4所示。

圖4 主參數設計

確定主參數后，進行設計計算。軸承應滿足多項設計約束條件，帶有“√”的條件約束表明設計合理，否則應更改某些輸入參數以滿足該軸承的設計約束條件，軸承優化設計約束條件如圖5所示(約束條件中的G3, G4, G6, G7, G8分別代表第3，4,6,7,8個約束條件)。

圖5 軸承優化設計約束條件

所有輸入和設計參數均會在軟件界面中顯示，且設計參數均可編輯優化以進行非標準化軸承設計，包括孔徑、內外徑、寬度、倒角尺寸、滾子尺寸、滾子數量、額定動載荷和靜載荷、質量等。同理，軸承各零部件的設計參數也可進行優化。若參數更改不合理，軟件會提出警告，優化設計結束后，軟件會將設計軸承自動加入數據庫，并出具詳細的優化設計報告、裝配圖、零件圖(軟件默認PDF版)等，設計圖紙也可另存為其他CAD兼容格式，以便用戶進行其他操作。軟件設計裝配圖如圖6所示。

圖6 32222/P0設計裝配圖

4.2 仿真分析

RomaxCLOUD仿真分析功能內核基于RomaxDesigner，兩者分析過程及計算方法相同，且RomaxCLOUD設計與分析功能可與RomaxDesigner等Romax系列軟件無縫兼容。

通過RomaxCLOUD，用戶可以創建多個基于實際應用的軸系統，所使用軸承來自用戶創建的軸承或標準數據庫。軸承選擇時，可以根據軸承名稱、安裝方向以及安裝方式(如游隙、配合)，選擇內外圈安裝預載設置、溫度、載荷工況、潤滑油和載荷時間等，軸承軸系分析示意圖如圖7所示，軸承分析計算結果目錄如圖8所示，涵蓋了軸承載荷、位移、錯位量、剛度矩陣、接觸應力、油膜厚度、壽命等軸承校核分析數據。整個分析過程僅需10～60 s。

圖7 32222軸承軸系分析

圖8 軸系分析計算結果目錄

RomaxCLOUD精確計算了左、右支承軸承內部滾動體載荷分布情況，其沿圓周方向滾子的受力如圖9所示(圖中每個點代表一個滾子，且內、外滾道載荷相等)。進一步進行接觸應力校核計算， 32222軸承軸系左、右支承軸承內圈接觸應力值及應力安全系數見表2，右支承軸承內圈接觸應力較大，但仍小于疲勞應力極限值(1 500 MPa)。采用ISO 281:2007及ISO/TS 16281計算的軸承壽命見表3，右支承軸承受力較大，其損傷較大，壽命值較低，且采用ISO/TS 16281計算的壽命值明顯低于ISO 281:2007，這是由于ISO/TS 16281考慮了軸承游隙、軸偏斜等軸系統因素對軸承壽命的影響，更符合軸承的實際工況，計算結果更加精確。

圖9 載荷分布圖

表2 最大接觸應力計算結果

表3 軸承壽命對比

5 結束語

介紹了RomaxDesigner及RomaxCLOUD的特點及其在軸承應用時的仿真分析功能， RomaxCLOUD以云計算方式計算，用戶可以通過電腦、筆記本、手機等方式接入數據中心，按需求進行軸承設計與分析，突破了現有傳統軸承設計分析軟件的應用模式,可以為軸承的設計與分析提供參考。