滾動軸承參數化建模及接觸強度研究

周志敏

摘 要 滾動軸承作為將滑動摩擦轉變為滾動摩擦以降低能量損耗的重要設備，當前在幾乎所有機械設施中都取得了良好的使用。基于對滾動軸承參數化建模方法的分析，本文探討了該軸承在運行中產生的接觸強度參數，在此基礎上提出針對強度不足問題的解決方法，從而讓滾動軸承的運行強度可以獲得提高，讓該設備處于穩定運行狀態。

關鍵詞 滾動軸承;參數化建模;接觸強度

引言

滾動軸承包括滾軸軸承和滾珠軸承等多種類型，其作用形式存在差異，則在參數化建模中要根據運行原理合理配置各項參數，此外在接觸強度的分析過程，也要根據該軸承的運行原理科學分析，確定不同受力情況、運行過程的軸承構件在接觸面積、活動構件需要具備強度方面具有的差異量等參數。

1滾動軸承的參數化建模方法

考慮到滾動軸承的類型較多，同時滾珠軸承的使用占比最大，并且該類型軸承的強度控制難度較大，所以本文僅以滾珠軸承為研究對象進行參數化建模。具體建模過程如下：

1.1 尺寸確定工作

滾動軸承的主要配件有三個，即外環、內環和兩者中間的滾珠，其中設定外環的直徑為D，內環直徑為D1，滾珠的直徑為d，3個參數的關系為：

另外要確定滾子的數量，要根據被分析軸承的用途和可承力水平分析，本文確定該結構的數量數值為9，滾子球心和軸承型心之間的夾角為40°。此外考慮到滾動軸承無論是內環還是外環本身都具有一定的厚度，對厚度參數進行限制，其中內圈的厚度為l，外圈的厚度為L，則通過該方法可以更好確定今后的工作形式。直徑參數的確定公式變為：

該公式中不考慮內環和外環對滾子的包圍效果，同時D1的含義變為從滾動軸承軸承重心到內環的長度。另外在建模過程，也要考慮滾動軸承的寬度參數，采取的方法為將軸承外環和內環的寬度視作完全相同，以簡化建模工作。

1.2 軸承接觸分析

軸承運行中理論上任務無論何種情況，滾子、內環和外環都會處于持續性接觸狀態（在參數化建模中不考慮滾子和內外環之間存在的油膜結構），根據經驗，直接受力的滾子會和內外環之間存在更大面積的接觸，尤其是將運行壓力完全施加某顆滾珠的情況下，該過程形成了面接觸而非點接觸，該方法在使用中會加大對于接觸面積的建模難度，若直接對接觸面受力分析則難度較大，所以采用構造接觸面區域的等邊三角形結構分析方法，將接觸面設定為三個接觸點，以大幅降低工作難度[1]。另外在確定了接觸面之后，還需要設定各項材料參數，包括內外環材料參數、滾子材料參數等，可根據選擇的具體型號確定材料的泊松比、抗壓應力參數等。

1.3 軸承結構網格劃分

滾動軸承的參數化建模工作中，要詳細分析當前該軸承的自身結構，之后從中分析該軸承施加了應力參數情況下的變形量和模態狀態，以分析是否可以抵抗受到的壓力參數。網格劃分中可以直接利用有限元分析軟件中的四面體單元進行劃分。對于該方法的使用過程，可以自動在接觸面上做出細化調整工作，該區域的網格密度和整體部分的密度比值為3∶1和10∶1兩種形式，以更為精確分析接觸面上的受力情況。對于軸承上的其他區域，需要調整網格的疏密程度，為了可以進一步提高模量、變形量參數的分析精度，最終確定的網格疏密值參數為1。

2滾動軸承的接觸強度研究工作

由于滾動軸承的接觸強度分析目的是研究當前被研究的軸承運行質量是否可以滿足工作指標的要求，所以會通過已知型號軸承和被研究軸承協同對比的方法獲取專業數據，通過該方法才可使建成的專業化工作系統具有參考價值。具體研究結果如下：

2.1 靜力學分析結果

在具體的分析中，主要探究對象為軸承滾珠部分的受力情況，選擇的材料為GCr15鋼，材料參數中的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.83×103kg/m3，通過向該軸承施加外力，分析滾子受到壓力最大情況下的運行狀態和相關參數，之后分析載荷逐漸增加狀態下的接觸應力情況。設定的載荷范圍為[500，5000]（單位：N），載荷提高步長為500N/次，通過對于接觸應力的分析，可以確定在不同的外力施加點上，兩個建模軸承的接觸應力基本相似，所以從該結果上可以推斷，由于原有的滾動軸承可以保持穩定運行，則本文建模的軸承運行質量也可以得到保障，則可確定采用GCr15鋼材料制造軸承的滾子可以滿足系統的安全穩定運行要求。另外從數值上來看，當施加的載荷不高于2500N時，兩個軸承之間的靜力學誤差量相對較大，但處于允許范圍，而當施加的載荷不小于2500N時，則兩個被研究模型的參數誤差值較小，誤差比例不高于5%，則可以認為該軸承可以匹配相關工作環境。

2.2 動力學分析結果

動力學分析工程主要是分析在軸承運行狀態下各個滾子承受的力，為了降低分析難度，采取的參考系變換方式進行分析，即對于某滾子施加外力的方向和大小進行設置，分析不同力學參數下該結構產生的變形情況[2]。從最終展現的結果上來看，在外力和垂直線夾角范圍[0，45]（單位：度），即滾動軸承滾子開始受到載荷影響時，建模分析的軸承和對比軸承的受力、模態參數基本相同。對于數值方面的影響，可以按照靜力學的分析結果進行對比分析。

2.3 針對滾動軸承的處理

通過對于檢測結果的分析可以發現，在本文參數化建模研究的滾動軸承中，滾子部分采用GCr15鋼之后，實際運行中的滾子運行質量可以滿足系統的運行要求，所以可以認為按照該方法制造的滾動軸承具有可以符合運行指標的運行水平。后續的處理工作主要是針對滾動軸承內外環材料的選擇和優化，同時要詳細分析對該系統的注油方式，以防止在運行中出現過大程度磨損和振動噪聲。

3結束語

綜上所述，滾動軸承的參數化建模工作中，建模過程涉及該構件的尺寸確定、材料參數的輸入、網格的劃分等工作，同時接觸面區域要經過重點分析。從對比分析結果上來看，被研究的滾動軸承在實際運行中可以保持安全性與穩定性，具體的使用中僅需要對其注油維護。

參考文獻

[1] 張軍飛.雙列圓錐滾子軸承的動力學分析模型[D].大連：大連理工大學，2019.

[2] 李淵.基于ANSYS的彈性支承軸承分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.