特殊用途軸承試驗機的設計研究

薛紅軍++李玉穩++夏占++趙博

摘 要 為了驗證特殊用途軸承在實際使用條件下的壽命，設計了一臺軸承試驗機。首先對實際使用條件下的軸承變形和應力進行了有限元分析，根據軸承應力分布特點，設計了多種軸承試驗機方案，并對多種方案下的軸承應力應變進行了對比分析，優選了應力分布與實際使用條件相似的軸承試驗機設計方案。

關鍵詞 軸承；試驗機；應力；方案

中圖分類號 TH13 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0064-02

特殊用途軸承是船上的關鍵設備之一，其壽命對系統的整體功能有重要影響。為了驗證軸承在實際使用條件下的壽命，需要搭建軸承試驗機，開展軸承疲勞壽命試驗研究。

為了使軸承試驗機的疲勞試驗結果和實際使用壽命盡可能一致，要求試驗機上軸承的受力狀態與實際盡可能保持一致。因此，對實際使用條件下軸承的受力開展了詳細有限元分析；根據實際狀態下軸承受力的特點，設計了多種試驗機方案，并分別開展了有限元分析。通過多方案的對比分析，確定了和實際工況最相似的試驗機方案。

1 軸承及系統有限元模型

1.1 軸承有限元模型[1]

為了提高計算精度和效率。前后建了多種軸承模型。模型全部采用精度較高的六面體網格。為了提高接觸應力計算精度，對接觸區域進行了分區，對接觸區域網格局部加密，以提高計算精度和效率。建立的軸承整體分析模型、對稱分析模型。

1.2 實際應用系統有限元模型

實際應用中，軸承加外套，通過加載桿施加載荷，并在一個槽內滾動。載荷以表面力的方式施加于加載桿頂部，方向垂直向下；滾動槽的側面位移受約束。為了詳細計算軸承的載荷，設置了200多對接觸副。計算得到的軸承應力見表1。

2 軸承試驗機方案設計

2.1 雙輪試驗機方案

設計了雙輪試驗機，其有限元模型見圖1。計算得到的軸承應力見表2。可以看出，雙輪試驗機方案中，滾子最大應力和實際工況相差約6%，而滾子側向力與實際情況有很大差異。實際運行過程中，軸承滾子基本不受側向力作用，而雙輪試驗機方案導致相當大的滾子側向力，使滾子運行不穩定，導致早期疲勞失效。

2.2 單輪試驗機方案

由于雙輪試驗機存在加工、安裝等方面的誤差，造成左右軸承載荷不一致，而且對安裝位置和安裝精度比較敏感，因此，將試驗機改成單輪試驗機。而為了使軸承在單輪試驗機上的受力狀態盡可能與實際工況一致，需要對單輪試驗機的結構進行多方案設計。考慮的方案包括單輪簡支加載、單輪懸臂加載、單輪單滑軌支撐、單輪雙滑軌

支撐。

從單輪試驗機的多方案計算結果看，與軌道上受力相比，單輪試驗機滾子側端面受較大作用力，在軸承旋轉時，滾子會和側端面產生摩擦，并導致滾子不規則運動，使軸承受力惡化。為了改進滾子受力狀態，對單輪雙滑軌支撐方案開展了多方案改進設計。主要的改進方向為飛輪接觸面形狀：

1）飛輪接觸面左側倒圓角，并且優化倒圓角的

位置；

2）飛輪接觸面的坡度優化。通過計算，得到了單輪雙滑軌支撐的較優方案：輪套懸空一定距離，并且大飛輪和軸承外套接觸面設置一定的傾角。

優化方案的軸承應力見表3。

軸承滾子的應力分布對比見圖2。

可以看出，單輪雙滑軌方案的軸承滾子側面受力明顯小于雙輪試驗機系統，與實際使用工況的受力相當接近。疲勞試驗的結果表明，設計的單輪雙滑軌試驗機上軸承的壽命與實際使用工況

相當。

3 結論

建立了實際使用工況、雙輪試驗機多方案、單輪試驗機多方案的軸承應力分析有限元模型，并對軸承的受力進行了多方案的計算分析。結果表明：實際使用工況下，軸承的滾子基本不受側向力作用，運行比較穩定；而雙輪試驗機上不論軸承是否對中，滾子側向力都要比實際工況大得多。因此，采用雙滑軌單輪試驗機方案，并確定了具體參數，使軸承運行情況與實際工況相似。試驗結果表明，優選試驗機方案上的軸承疲勞壽命與實際使用壽命相近，表明試驗機的設計是成

功的。

參考文獻

[1]林金國，傅達，夏占，等.特殊用途重載軸承滾子型線參數的優選設計[J].船舶工程，2017（3）：35-39.endprint