四點接觸球軸承重要結構參數分析方法

摘要：【目的】基于四點接觸球軸承接觸力學特性分析，對軸承重要結構參數（接觸角、溝曲率半徑系數和徑向游隙）進行設計，并綜合考慮軸承結構參數對軸承滾道次表面應力的影響，旨在為四點接觸球軸承的設計提供新的參考。【方法】通過建立高精度四點接觸球軸承多體接觸動力學模型，采用有限元分析方法對接觸力學模型軸承滾道次表面應力和淬硬層深度的分析，進一步驗證了設計的合理性。【結果】結果表明，初始接觸角越大，軸承承載能力越大，次表面應力峰值和所需最小淬硬層深度越小，但易發生橢圓截斷，建議初始接觸角選取45°～50°中較小值；溝曲率半徑系數越小，軸承承載能力越大，次表面應力和最小淬硬層深度越小，建議溝曲率半徑系數在0. 52～0. 53范圍內取值；游隙減小，內圈左側應力微小增大，右側應力減小，最佳游隙為-0. 03 mm。

關鍵詞：四點接觸球軸承；載荷分布；力學性能；結構參數；次表面應力

中圖分類號：TH122 DOI： 10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 003

0 引言

四點接觸球軸承能夠承受復雜的載荷，承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等多種復合載荷。單排四點接觸球軸承的溝道為桃形溝，其特殊的結構保證了四點接觸球軸承的高承載性能，且相較于三排圓柱式和交叉圓柱滾子軸承，具有回轉阻力更小等優點，在風力發電機組中得到廣泛應用[1]。因此，研究大型四點接觸球軸承結構參數對力學特性的影響很有必要。

為確定最大接觸載荷，必須計算四點接觸球軸承滾道上的載荷分布。HARRIS等[2]考慮接觸角，建立了計算載荷分布的迭代模型。傳統的軸承力學模型分析中常認為軸承是接地的，即軸承支承剛度無限大。ZUPAN 等[3]考慮了支撐結構剛度對回轉支承滾道載荷分布的影響，進一步提高了模型的準確性。POTO?NIK等[4]闡述了轉盤軸承的接觸力分布與靜態承載能力的分析方法，分析了軸承間隙以及預定義不規則幾何結構轉盤軸承的接觸力分布。AMASOR?RAIN等[5]以Hertz接觸理論為基礎，通過討論滾道曲率中心承載前后變化規律，建立了沿滾動體方位角分布的滾動體受力方程，通過牛頓迭代法得到四點接觸球軸承接觸載荷與接觸角分布。WANG 等[6]在AMASORRAIN等給出的四點接觸球軸承計算模型的基礎上，綜合考慮軸承負游隙、滾道溝曲率半徑系數和滾動體直徑對軸承承載能力的影響，建立了接觸載荷分布計算模型。王亞濤等[7]針對四點接觸球軸承的優化設計展開了深入研究，并將接觸角作為設計變量進行考查，結果表明，接觸角的變化會直接影響軸承的性能。王廷劍等[8]詳細闡述了，外圈溝曲率半徑系數是影響軸承壽命的主要因素，其余依次為球徑、內圈溝曲率半徑系數、徑向游隙、球數、墊片角，結果表明，隨內、外圈溝曲率半徑系數增大，壽命減小；隨徑向游隙增大，壽命先增大后趨于穩定。WANG等[9]指出，游隙是影響接觸球軸承載荷的重要因素，給出了游隙的計算方法，并強調了游隙在軸承設計中的關鍵作用。王燕霜等[10]根據四點接觸球軸承精確靜承載曲線，提出了一種設計軸承溝曲率半徑系數的方法，并與傳統經驗方法進行對比，驗證了其方法的準確性。此外，風電軸承在交變應力作用下，滾道接觸表面或次表面易產生微裂紋，進而會引發疲勞剝落，加劇磨損。所以，探究次表面應力的變化趨勢也至關重要。研究表明，軸承最大損傷發生在滾道次表面，最大等效應力出現在滾道一定深度[11]。Hertz研究集中在載荷引起的表面應力，局限于接觸面的應力規律[12]。李碧波等[13]依靠Hertz公式和有限元法進一步推導了接觸表面下的應力計算式。杜靜等[14]在滾道次表面應力理論計算的基礎上，研究了軸承不同結構參數對滾道次表面應力的影響，并將理論計算與有限元分析進行對比驗證，證明了其合理性。

目前，特大型四點接觸球軸承在風電行業應用廣泛，但其結構參數對軸承力學性能影響的研究較少。本文研究了結構參數對軸承力學性能的影響，并綜合考慮軸承結構參數對軸承滾道次表面應力的影響，為四點接觸球軸承的設計提供了新參考。