支承立軋輥的雙列圓錐滾子軸承疲勞壽命計算方法研究

摘要：以立軋輥及其支承的雙列圓錐滾子軸承為研究對象，通過力學分析，構建了一種針對立軋雙列圓錐滾子支承軸承受力進行計算的力學模型。通過對軸承滾子接觸受力與局部變形的分析，建立了復合載荷作用下軸承載荷分布與疲勞壽命的計算方法。以一個具體立軋機的立輥支承軸承為算例，深入研究了軸承的軸心位移和滾動體受力變化規律。在此基礎上，對軋制過程中鋼坯變形與軸承受力進行了耦合計算，研究了若干工藝參數對滾子接觸應力和軸承壽命的影響規律。研究發現，軸心軌跡為不規則的橢圓，滾子與內圈擋邊的接觸力很小，內滾道與滾子的最大接觸應力略大于外滾道。隨著側壓率、鋼坯厚度、鋼坯寬度以及立輥半徑的增加，滾子的最大接觸應力逐漸增大，軸承的疲勞壽命逐漸減小。在主要軋制參數中，側壓率和鋼坯厚度的影響更為顯著。軸承兩列的載荷差值隨復合載荷的增大而增大，從而導致了軸承整體壽命的降低。

關鍵詞：立軋輥；圓錐滾子軸承；力學分析；疲勞壽命；耦合模型

中圖分類號：TH133.33 文獻標志碼：A

立軋過程中，在電機驅動和軋制力的共同作用下，支承立軋輥的雙列圓錐滾子軸承將承受徑向載荷、軸向載荷、彎矩和預緊力的復合影響，其受力十分復雜，極易引起滾動體的疲勞破壞，導致軸承失效。對支承軸承進行力學分析，建立精確的接觸力學、疲勞壽命計算方法并研究影響滾動軸承疲勞壽命的因素十分必要。

為了分析圓錐滾子軸承的接觸載荷分布，學者們開展了大量的研究。楊霞等[1] 將軋機四列圓錐滾子軸承的多體接觸問題簡化為兩體接觸問題，采用包含子單元和微單元的三維彈性接觸邊界元法研究了軸承的載荷分布。劉光明等[2-3] 建立了耦合軋件、軋輥、支承輥軸承以及軸承座的四輥軋機三維有限元模型，研究了咬入、穩定軋制和拋鋼階段各列滾動體的受力，分析了工藝參數對載荷分布和板凸度的影響。陳強等[4] 采用Hertz 彈性理論建立了單個圓錐滾子軸承的分析模型，得到了各個滾子沿長度方向的接觸應力分布。Yang 等[5] 通過擴展三自由度理論，提出了雙列圓錐滾子軸承在外載荷和角偏差共同作用下的綜合分析方法。Cheng 等[6] 基于Abaqus軟件和Hertz 理論，建立了高速動車組軸箱雙列圓錐滾子軸承的力學模型，分析了軸承的載荷分布和接觸應力。Majdoub 等[7]采用實驗和數值計算的方法研究了圓錐滾子軸承的滾子偏斜問題，分析了負載、轉速、油溫和潤滑劑類型對偏斜的影響。吝水林等[8-9]基于柔度矩陣法研究了軋機偏載對滾動軸承力學特性的影響，采用非對稱對數曲線優化了滾子母線。

近年來，學者們又進一步對滾子軸承的壽命問題進行了研究。李震等[10] 將坐標向量運算應用于雙列圓錐滾子軸承的擬靜力學分析，實現了復雜工況下軸承內部載荷分布和疲勞壽命的精確快速計算。Tong 等[11-12] 研究了圓錐滾子直徑誤差對軸承內部載荷分布和疲勞壽命的影響，假定直徑誤差符合正態分布，采用統計學函數描述了軸承壽命與直徑誤差的關系。針對同時承受徑向和軸向載荷的圓錐滾子軸承，Dragoni 等[13] 分析了軸承基本額定壽命與滾子尺寸的關系，給出了軸承額定壽命最大時的滾子接觸角。Quagliato 等[14] 采用Archard 磨損和Lemaitre損傷模型對滾子軸承的磨損行為進行了數值模擬，根據軸承因負載和磨損產生的跳動量對軸承的循環次數進行了預測，并利用壽命實驗對模型進行了驗證。Gupta 等[15] 對滾子軸承進行了動態應力承載分析，建立了僅與次表面最大正交剪切應力和應力體積有關的壽命模型，分別研究了圓柱滾子軸承和球滾子軸承在低接觸應力下的疲勞壽命。Zheng等[16-17]對支撐大型直驅風力渦輪機主軸的雙列圓錐滾子軸承進行了準靜態分析，考慮了軸承內環和外環的角度偏差以及滾子與滾道的摩擦力，通過數值模擬研究了振蕩外載荷、振蕩速度、角偏差和內部間隙對軸承疲勞壽命的影響。

綜上所述，這些研究往往僅針對軸承本身，缺乏對整個機械結構的綜合分析。實際工況下，立軋輥支承軸承將承受以軋制力為主的復合載荷的作用，如不能對軸承的壽命進行精確預測，就很難對立軋機進行有效設計。為此，本文研究了雙列圓錐滾子支承軸承在立軋過程中的力學行為，建立了精確計算滾動體受力與軸承疲勞壽命的理論模型。在此基礎上，對鋼坯-立輥-支承軸承系統進行了耦合分析，深入研究了復合載荷作用下，軸承接觸應力和使用壽命隨側壓率、鋼坯尺寸、立輥半徑等工藝參數的變化規律。