轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺軸承座設(shè)計(jì)＊

葉振環(huán)，吳金明

轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺軸承座設(shè)計(jì)＊

葉振環(huán)，吳金明

（遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563006）

滾動軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中重要的零部件，其性能測試主要依靠臺架試驗(yàn)完成。為滿足通過轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺完成滾動軸承性能測試的需求，對部分轉(zhuǎn)子變更為被試軸承后需添加的軸承座進(jìn)行了設(shè)計(jì)。基于轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、軸承裝配要求，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)合理的軸承座，并進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析。

轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺；軸承座；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

國內(nèi)外在軸承座方面的研究頗多，這些研究大多集中在對某個設(shè)備的非標(biāo)軸承座上，非標(biāo)軸承座的生產(chǎn)工藝、設(shè)計(jì)方案也在不斷改善[1-3]。這些針對性研究主要是對軸承座進(jìn)行工藝分析[4]、強(qiáng)度分析[5]、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]、三維建模[7]、有限元分析[8]、公差配合與加工控制[9]等方面的研究。然而，在這些非標(biāo)軸承座的設(shè)計(jì)中，沒有針對轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行軸承座改裝設(shè)計(jì)的。本文將基于轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺通過結(jié)構(gòu)分析、應(yīng)力分析等一系列分析計(jì)算設(shè)計(jì)一套即裝即用的高精度軸承座，以保證滾動軸承在高速負(fù)載情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 被試軸承的軸承座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子尺寸為Φ75.3×18 mm，轉(zhuǎn)軸尺寸為Φ10×380 mm。轉(zhuǎn)動軸在兩端軸承座的支承下為靜平衡，如果從中增加一個不同軸的軸承座約束，必導(dǎo)致軸上增加一個多余力偶，使原有靜定結(jié)構(gòu)改變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)。所以，為了能使外加測試軸承座不對原有結(jié)構(gòu)增加額外的力偶，或產(chǎn)生的力偶不對后期測試實(shí)驗(yàn)造成影響，必須通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減小這個外加力偶帶來的負(fù)面影響。

圖1 轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺三維模型

目前，常用軸承座的形式有一體式和分體式兩種。一體式又分為徑向螺栓夾緊式和軸向軸承蓋夾緊式。分體式分為上下半圓軸承座分體和左右半圓軸承座分體。通過經(jīng)驗(yàn)得出，分體式和徑向螺栓夾緊一體式的軸承座很容易在螺栓夾緊固定軸承的過程中，由于難以準(zhǔn)確控制螺栓預(yù)緊力，導(dǎo)致軸承外圈在受力過大的情況下產(chǎn)生微小變形，從而引起軸承滾珠在轉(zhuǎn)動過程中摩擦力增大。所以本文選擇用軸承蓋從軸向夾緊軸承。考慮到盡量降低軸承座的加工誤差對實(shí)驗(yàn)的影響程度，將安裝軸承部分和連接實(shí)驗(yàn)臺底座部分設(shè)為分體式結(jié)構(gòu)，這樣的分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以解決測量誤差、加工誤差等對測試引起的外加力偶。設(shè)計(jì)得到的軸承座結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，該設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上滿足軸承座的自動對中要求。

圖2 設(shè)計(jì)軸承座的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)示意圖

根據(jù)轉(zhuǎn)軸直徑，通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[10]（以下簡稱《手冊》）可知被試軸承的基本尺寸為10 mm（）×30 mm（）×9 mm（）。對于軸承內(nèi)圈配合宜采用過盈配合，對于外圈配合宜采用過渡配合。轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺軸承座屬于薄型軸承座，參考《手冊》中優(yōu)先、常用配合（GB/T 1801—1999）得到，基軸制過渡配合中優(yōu)先采用K7/h6配合，即軸承與軸承座之間的配合公差為Φ30K7/h6。參考《手冊》中軸孔的基本偏差數(shù)值表得到的公差帶如圖3所示。

圖3 公差帶圖

2 有限元分析

首先對軸承座三維模型進(jìn)行材料檢查和干涉檢查，接著定義零件與零件之間的相觸面連結(jié)方式為“全局接合”。其次，建立一個基準(zhǔn)平面作為虛擬壁，模擬螺栓固定效果將軸承座的兩個接地螺孔固定在虛擬壁上。設(shè)置相應(yīng)的外加軸向載荷a=1 500 N和徑向載荷r=3 000 N，最后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并對局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化控制。通過求解得到的軸承座應(yīng)力情況如圖4所示。從圖4（a）可看出，軸承座的最大應(yīng)力為max=328 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力是因?yàn)樘砑恿寺菟ǖ募s束。通過運(yùn)用ISO剪裁工具，剪裁出了大于所選材料屈服應(yīng)力=55.1 MPa的部位，如圖4（b）所示。從圖4（b）可明顯看到，大于材料屈服應(yīng)力的部位僅有因添加螺栓約束周圍的局部區(qū)域，由此判定該軸承座的結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 軸承座的等效應(yīng)力情況

通過有限元分析求解得到的軸承座位移情況如圖5所示。從圖5（a）可以看出，軸承座的最大位移量為0.395 mm，但該位移值是軸承座外部的最大絕對位移，無法直接判斷與軸承初始游隙的關(guān)系。運(yùn)用探測工具，在軸承座的軸承孔上均布選取其中6個點(diǎn)進(jìn)行探測，獲得如圖5（b）的結(jié)果，由圖中的數(shù)據(jù)得知，最大位移為0.121 mm，最小位移為0.092 8 mm，最大位移差為0.028 2 mm，小于軸承間隙30 μm。由此得出結(jié)論，該軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

圖5 軸承座的位移情況

3 結(jié)論

本文基于轉(zhuǎn)子振動實(shí)驗(yàn)臺無法直接進(jìn)行滾動軸承測試的問題，在實(shí)驗(yàn)臺現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了被試軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，使原有實(shí)驗(yàn)臺的服務(wù)范圍獲得了更大的擴(kuò)展。

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［5］路明，張超，王軍，等.基于有限元方法的發(fā)動機(jī)主軸承座及主軸承蓋設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2015，42（9）：53-57.

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［10］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版 社，2007.

TH133.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.031

2095－6835（2019）18－0080－02

貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)項(xiàng)目（遵市科合人才〔2016〕9號）

葉振環(huán)（1984—），男，博士，教授，從事滾動軸承動力學(xué)及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析工作。吳金明（1995—），男，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)研究工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕