基于SolidWorks的深溝球軸承的三維建模與仿真分析

張小波，秦天峰，潘　振

(1.貴州虹山虹飛軸承有限責任公司，貴州安順561000；2.陜西省延長油田股份有限公司，陜西延安761000；3.貴州大學，貴州貴陽550000)

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基于SolidWorks的深溝球軸承的三維建模與仿真分析

張小波1，秦天峰2，潘振3

(1.貴州虹山虹飛軸承有限責任公司，貴州安順561000；2.陜西省延長油田股份有限公司，陜西延安761000；3.貴州大學，貴州貴陽550000)

針對具體實例，利用SolidWorks三維設計軟件，結合Toolbox插件，導出型號為6003的深溝球軸承三維模型。利用Simulation插件對深溝球軸承進行應力應變仿真分析以及疲勞分析，并與實際情況進行比較，驗證仿真分析的正確性。

深溝球軸承仿真SolidWorks三維建模

0　引言

滾動軸承是現代機械中廣泛應用的部件之一，它由內圈、外圈、保持架和滾動體四部分組成，依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動[1]。但是軸承的設計計算極其復雜，采用傳統的方法進行設計計算速度慢、效率低，已經不能滿足現代軸承設計發展的需求[2]。隨著計算機技術的進步與發展，三維設計軟件在機械設計中的應用越來越廣泛，SolidWorks軟件是基于Windows開發的三維CAD系統，有強大的三維建模、運動仿真以及應力分析的能力[3]。本文針對一工程實例，利用SolidWorks進行滾動軸承三維建模，并插入Simulation插件對建立的三維模型進行應力應變仿真分析，然后將仿真值與理論計算值進行對比分析。

1　深溝球軸承三維建模

已知電機上某軸的支承根據工作條件決定選用型號為6003的深溝球軸承，詳細參數見表1。軸承徑向載荷Fr=720 N，軸向載荷Fa=210 N，軸承轉速n為1 250 r/min，工作溫度70℃并選擇油潤滑，要求連續工作2年(設每年按300個工作日計),8小時制，工作情況平穩，轉向不變。

表1 軸承6003參數

圖1　深溝球軸承建模

運行SolidWorks軟件后，點擊“工具”菜單，在“插件”選項中勾選Toolbox插件，然后直接在插入的設計庫中導出型號為6003的深溝球軸承標準件(圖1)。設計庫是SolidWorks的一大優勢，其中包含很多標準件，比如：軸承、齒輪、鍵、螺栓螺母等[4]，這為工程實際中的設計仿真帶來了極大的方便，提高了設計效率[5]。

2　滾動軸承當量動載荷計算

滾動軸承在工作的過程中，同時承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa的作用，在進行軸承設計計算時，必須把實際載荷轉換為與確定的基本額定動載荷的載荷條件一致的當量動載荷P。

求當量動載荷P

P=fp×(X×Fr+Y×Fa)

=821.436N

驗算6003軸承的壽命

=6 306.05h

軸承6003額定壽命為6 306.05 h，可以滿足連續工作2年(每年按300個工作日計),8小時制。

3　仿真分析

深溝球軸承的三維實體模型建成以后，就可以使用Simulation插件對軸承進行應力應變仿真分析和疲勞分析，過程如下。

(1)創建新算例

運行SolidWorks軟件，在“工具”菜單中插入“Simulation”插件，點擊Simulation界面中“算例顧問”選擇創建新“算例1”，選擇靜態分析類型。

(2)指派材料

軸承的屈服強度取決于所應用的材料，材料選用高碳鉻軸承鋼GCr15，可以滿足絕大多數機械和機電產品的使用，而在SolidWorks材料庫中發現沒有GCr15軸承鋼，這就需要我們重新加載材料庫，下載一個比較全面的格式為“.sldmat”的材料庫，然后打開SolidWorks的“工具”，點擊“選項”，彈出系統應用對話框，點擊“文件位置”，通過下拉菜單找到“材質數據庫”，添加下載好的材料庫。

在“應用材料”對話框中，找到添加的材料庫，選擇“GCr15”，屈服強度為518.42 MPa。

(3)約束條件

在“添加夾具”菜單中選擇“固定幾何體”，選擇軸承的外圈為約束面。

(4)添加載荷

深溝球軸承中鋼球和套圈的受力接觸實際為點接觸，軸承工作時，外圈固定、內圈轉動。對于固定套圈，處在承載區的各接觸點，按其所在位置的不同，將受到不同的載荷。對于每一個具體的點，每當一個滾動體滾過時，便承受一次大小不變的載荷，也就是受穩定脈沖循環載荷作用，載荷頻率取決于內圈的轉動速度。就滾動體上的某一點而言，它的載荷及應力是周期性地不穩定的變化。

圖2　軸承裝夾、載荷、劃分網格

添加徑向載荷：在“外部載荷”菜單選“軸承載荷”，作用區域選軸承內圈的內圓柱面，坐標系選“坐標系1”，載荷值輸入821.436 N，選正弦分布(圖2)。

(5)劃分網格

有限元分析精度的關鍵在于劃分網格的密度，網格越小，離散誤差越低。在“運行”的下拉菜單中選擇“劃分網格”，此算例采用四面體網格(圖2)，單元總數9 620個。

(6)運行模擬和顯示結果

點擊“運行”，系統會自動運算分析，運算完畢以后，系統會顯示軸承的應力、應變圖解信息，如圖3所示。

(7)疲勞分析

圖3　應力應變仿真結果

點擊“算例顧問”選擇創建新“算例2”，選擇疲勞分析類型，添加“算例1”為新事件，點擊“應用/編輯疲勞數據”添加材料的“疲勞SN曲線”，點擊“運行”，系統自動顯示仿真分析結果(圖4)。

圖4　軸承疲勞分析結果

4　仿真結果分析

由文獻[7、8]知，滾動軸承的正常失效形式為內外圈滾道或滾動體上的點蝕破壞，并且70%以上的滾動軸承是滾動體先出現早期的疲勞破壞。從圖3應力應變圖解中可以看出滾動軸承徑向載荷Fr的作用線上滾動體以及內外套圈溝道所受的應力最大，大約為22.55 MPa。最大應變也是發生在徑向載荷Fr作用線上的滾動體以及內外套圈溝道上，為7.481e-005。從仿真結果來分析，深溝球軸承在工作過程中，最大應力應變都是首先發生在徑向載荷Fr作用線上的滾動體和內外套圈的溝道上，所以滾動體以及內外圈溝道最容易發生點蝕破壞，與實際情況相符合，說明仿真結果基本符合工程實際。

從圖4中可以看出，經過“算例1”的事件以后，深溝球軸承徑向載荷Fr作用線上的滾動體損壞百分比為0.1%，而從圖4(b)中可以看出，軸承顏色基本維持在深藍色沒有變化，這說明當量載荷遠遠小于軸承鋼GCr15的疲勞極限，認為深溝球軸承經過無限次應力循環都不會發生破壞。疲勞分析的結果也說明深溝球軸承在工作過程中首先發生破壞的是滾動體和內外圈溝道，符合工程實際。

[1]歐陽華兵,林峰,汪建平.基于SolidWorks軟件的滾動軸承CAD及三維圖形建模[J].輕工機械,2007,25(6):45-47.

[2]蔡登峰,曾德惠,劉江坤,潘振.基于Simulation的直齒圓柱齒輪齒根應力分析[J].煤礦機械,2013,34(3):267-269.

[3]羅繼偉.滾動軸承受力分析及其進展[J].軸承,2001(9)：28-31.

[4]陳云.基于SolidWorks的軋輥軸承座有限元分析[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(2):28-30.

[5]劉玉琦,余榮鎮,葉碧泉,等.軸承彈性接觸受力分析[J].軸承,1981(1)：5-10.

[6]聞邦椿.機械設計手冊：第5版[M].北京：機械工業出版社,2010.

[7]仝楠,王東峰,雷蓓蓓.SolidWorks軟件在軸承工業中的應用[J].哈爾濱軸承,2011,32(3):46-48.

[8]閆眾,黃鳴鳴.利用SolidWorks軟件優化軸承產品設計[J].哈爾濱軸承,2012,33(1):57-58.

3D modeling and simulation analysis of deep groove ball bearings based on SolidWorks

ZHANG Xiaobo, QIN Tianfeng, PAN Zhen

In this study, we built up the 3D model of the 6003 deep groove ball bearing using 3D design software SolidWorks and the Toolbox plug-in. Then, with the Simulation plug-in, we carried out the stress simulation analysis and the fatigue analysis, and compared the results with the actual situation to verify the simulation.

deep groove ball bearing，simulation，SolidWorks，3D modeling

TP391.9

A

1002-6886(2016)04-0043-03

張小波(1987-)，男，貴州三都人，主要從事機械設計制造方面工作。

2016-04-14