基于ANSYS的負間隙回轉軸承靜力學分析

李佳佳

（江蘇安全技術職業學院，江蘇 徐州221011）

0 引言

回轉軸承可廣泛應用于大型起重機、挖掘機、風力發電機等重型機械的生產領域。但在風力發電機領域，由于其特殊的工作條件和環境，其內部需增加摩擦力矩。為了滿足較大的摩擦力矩，必須對回轉軸承的間隙進行調整，以保證其保持負間隙要求。因此，負間隙回轉軸承的研究正逐漸受到軸承制造界的關注。

隨著CAD/CAE/CAM技術的發展，各種有限元軟件被廣泛應用于軸承設計領域。利用有限元軟件研究了滾珠軸承[1]的載荷撓度、摩擦特性，對大型回轉支承采用相關的有限元軟件對軸承壽命和載荷分布進行了研究[2]。所得結果表明，有限元軟件可以很好地應用于軸承設計領域。孫偉[3]利用ANSYS中的非線性接觸模型計算了哥特式弧形軸承的變形和載荷。但對于負間隙、四接觸點回轉軸承，其研究只是建立在理論計算的基礎上。伍生[4]計算了不同負間隙回轉軸承在零載荷作用下鋼球與內外圈的接觸載荷，計算過程十分復雜。

本文采用有限元法計算回轉軸承的應力分布和位移變形，并提出負間隙與接觸應力之間的關系。

1 回轉軸承的有限元分析

1.1 回轉軸承有限元模型

一般回轉軸承的載荷工況基本相同，主要有軸向載荷Fa、徑向載荷Fr和彎矩Mt，如圖1所示，其中，軸向荷載和彎矩是主要荷載。本文利用Pro-E軟件建立回轉軸承模型，將其轉換為.igs文件，然后導入ANSYS。本文根據實際承載能力，分別分析了軸向載荷和傾覆力矩對回轉軸承的影響，主要研究內、外圈滾道和鋼球的承載情況。

圖1 四點接觸球軸承結構示意圖

在建立軸承模型時，考慮回轉軸承在軸向載荷作用下尺寸和載荷的對稱性，建立了四分之一的有限元模型，以節省計算時間，提高計算效率。在受彎矩作用時，由于半個回轉軸承受壓載荷和另一半受拉載荷的影響，在有限元分析中使用了一半的軸承模型。通過改變鋼球直徑來調整負間隙值，得到負間隙與接觸應力之間的關系。該模型可以用三維實體單元SOLID 92進行網格化。如圖2所示，有限元模型包括整體有限元模型、半有限元模型和四分之一有限元模型。

圖2 回轉軸承有限元模型

內/外滾道與鋼球之間的接觸單元類型為節點，接觸面的元素是CONTA175，物體表面的元素是TARGE170[5]。在內滾道與球的接觸副中，內滾道為接觸面，目標面為鋼球；在外滾道和鋼球之間，外滾道是接觸面，不同球徑的回轉軸承節點和單元數不相同。

端部的內圈根據回轉軸承的實際工作情況，受主載荷的影響。當軸承受傾覆力矩時，回轉軸承的一半受壓，另一半被拉。它們的邊界條件是（1）內圈內邊和外圈外緣上的所有節點自由度都受到全方位約束；（2）外層的所有節點自由度均受軸向約束；（3）對稱平面上的所有節點自由度都是對稱約束。軸承參數如表1所示。

表1 回轉軸承模型參數值

1.2 有限元分析結果

接觸計算時采用彈性接觸理論，以提高效率和提高精度。在ANSYS計算過程中，接觸面積會發生變化，因此，接觸剛度應隨解的進行而改變。重新定義了加載步驟之間的接觸剛度，通過設置單元類型KEYOPT可以自動調整。由于本文所討論的是靜態分析，所以不考慮摩擦問題，因此KEYOPT設為粗糙。在有限元分析的基礎上，鋼球在所有工況下都受到最大應力作用，分析結果表明，在不同負間隙的回轉軸承中，內外圈和鋼球的應力和位移分布相似。在本文中，只選擇一個軸承，其理論負間隙值為-0.02 mm，從圖3可以看出應力和位移的分布。

（續下圖）

（接上圖）

圖3 軸向載荷作用下內外滾道和鋼球有限元模型的云圖

從圖2可以看出，最大應力位置在角分布上。從應力云圖中可以看出，它們最大應力的位置與云圖中位移的位置是對應的，都在角接觸處。

根據圖4可以清楚地看到傾覆力矩作用下回轉支承的應力和位移分布。最大應力出現在與拉力和壓力交界處，而最小應力出現在接頭處。隨著力矩的增大，應力逐漸增大。最大應力達到215 MPa，在相同的載荷工況和回轉軸承參數下，這和文獻[7]的理論計算結果208 MPa數值比較接近。

（續下圖）

（接上圖）

圖4 傾覆力矩作用下內外滾道和鋼球有限元模型的云圖

圖5計算了回轉軸承接觸應力隨負間隙變化而變化，通過改變鋼球的直徑尺寸來改變負間隙值，當鋼球直徑為15 mm時，負間隙為0，隨著鋼球直徑增大，負間隙值的絕對值逐漸增大。結果表明，回轉軸承在軸向載荷作用下，內外圈接觸應力隨負間隙絕對值的增大而逐漸增大。通過鋼球和內外滾道接觸應力結果的比較，發現鋼球接觸應力梯度變化最大，而內圈滾道接觸應力變化較為平穩。此外，鋼球的接觸應力大于內外圈滾道?；剞D軸承在受傾覆力矩作用時，其外圈滾道和鋼球接觸應力隨著負間隙絕對值的增大而逐漸增大。內圈滾道的接觸應力在傾覆力矩作用下，隨負間隙變化不大，比較穩定[6]。

圖5 不同負間隙下的內、外圈滾道和鋼球在不同載荷下的最大應力

2 結論

基于ANSYS對負間隙回轉軸承進行了靜力分析，得到了內、外圈和鋼球的接觸應力和位移結果，并與其他理論模型的計算結果進行了比較，驗證了有限元法的可靠性。

回轉軸承通過改變球徑來調整負間隙，計算結果表明，隨著負間隙絕對值的增大，接觸應力值逐漸增大，有限元計算結果與理論計算結果基本一致。對回轉軸承的進一步設計具有一定的參考價值。同時利用ANSYS軟件，得到了負間隙回轉軸承有限元模型的位移云圖和應力云圖。