圓柱滾子軸承保持架優(yōu)化設(shè)計(jì)

公平，張靜靜，劉海波，張瑞生

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

據(jù)失效案例分析統(tǒng)計(jì)，保持架疲勞斷裂已逐漸成為軸承嚴(yán)重失效形式之一[1]，特別是中大型主軸軸承。實(shí)體保持架的受力較為復(fù)雜，主要有滾子對(duì)保持架的作用力、套圈引導(dǎo)擋邊面對(duì)保持架的作用力以及非引導(dǎo)擋邊面的阻力等。

由保持架和滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性造成的高周疲勞使保持架發(fā)生斷裂，其一般都發(fā)生在兜孔過梁位置。在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)速度與保持架的轉(zhuǎn)速不一致時(shí)，滾動(dòng)體與保持架將發(fā)生碰撞[3]。而這種動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)是無法避免的，因此，應(yīng)最大程度上保證保持架的強(qiáng)度，特別是對(duì)于容易發(fā)生應(yīng)力集中的兜孔過梁拐角處的設(shè)計(jì)，對(duì)于延緩保持架的破壞時(shí)間，延長(zhǎng)軸承壽命將至關(guān)重要。

1 軸承保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

某型圓柱滾子軸承保持架的幾何尺寸見表1，40CrNiMoA材料特性見表2。結(jié)構(gòu)改進(jìn)前兜孔過梁過渡處采用小圓角設(shè)計(jì)，過渡圓角半徑最大為0.2 mm。為減小應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)了2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，一是將圓角半徑增大到0.8 mm，二是將兜孔結(jié)構(gòu)更改為帶有越程槽的結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前、后的結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中單位均為mm,最大是指加工允許的最大值)。

表1 某型圓柱滾子軸承保持架相關(guān)幾何參數(shù)

表2 保持架材料特性

圖1 改進(jìn)前、后兜孔結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

2 有限元分析

2.1 建模

根據(jù)保持架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，先后建立保持架兜孔結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的單個(gè)兜孔的三維模型，如圖2所示。

圖2 單個(gè)兜孔結(jié)構(gòu)三維模型建立

2.2 網(wǎng)格劃分

將上述模型導(dǎo)入ANSYS中，采用SOLID186單元對(duì)上述實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)過梁連接處的圓角或越程槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，分別如圖3和圖4所示。

圖3 兜孔結(jié)構(gòu)過梁圓角網(wǎng)格劃分

圖4 兜孔過梁越程槽網(wǎng)格劃分

2.3 施加約束與載荷

滾子采用部分凸度的修形方式，為模擬圓柱滾子對(duì)保持架的沖擊力，對(duì)保持架兜孔過梁處一組節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的接觸線施加線載荷， 接觸線長(zhǎng)度與滾子設(shè)計(jì)時(shí)有效長(zhǎng)度相等，為7.8 mm,此分析旨在研究同樣載荷條件下的過梁連接處結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此，取法向載荷1 170 N，約束上下端面，如圖5所示。

圖5 兜孔的載荷與約束

2.4 結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的保持架兜孔應(yīng)力云圖如圖6～圖8所示，由圖可知，在同一約束和載荷條件下，應(yīng)力最大值均在保持架的過梁拐角處。雖然3種結(jié)構(gòu)過梁處的應(yīng)力值均小于材料的屈服極限815 MPa，但具有差異性, 其不同結(jié)構(gòu)下保持架過梁處最大接觸應(yīng)力見表3。改進(jìn)后的兩方案均較大幅度地減小了兜孔過梁處的最大應(yīng)力。

圖6 改進(jìn)前兜孔過梁應(yīng)力分析云圖

圖7 改進(jìn)方案1兜孔過梁應(yīng)力分析云圖

圖8 改進(jìn)方案2兜孔過梁應(yīng)力分析云圖

表3 不同結(jié)構(gòu)下保持架過梁處最大接觸應(yīng)力

3 加工方式與效果對(duì)比

保持架兜孔過梁拐角處若采用圓角過渡，傳統(tǒng)加工方式采用拉床拉削；若更改為越程槽結(jié)構(gòu)，則可采用加工中心進(jìn)行鉆銑加工，越程槽部分采用鉆頭鉆削，兜孔工作表面采用銑刀加工。

經(jīng)測(cè)試表明，方案2加工質(zhì)量穩(wěn)定性高于方案1，且可以明顯提高保持架兜孔加工精度和表面質(zhì)量，其具體測(cè)試數(shù)值見表4，又由于方案2結(jié)構(gòu)更便于儲(chǔ)油和潤(rùn)滑，故確定其為最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

表4 保持架加工精度對(duì)比

4 結(jié)束語

1)保持架薄弱環(huán)節(jié)主要在兜孔過梁處，其設(shè)計(jì)是不可忽略的環(huán)節(jié)，因此在保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證兜孔過梁轉(zhuǎn)角不與滾子發(fā)生干涉，又要使過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠最大程度的減緩應(yīng)力集中，有利于潤(rùn)滑。

2)從越程槽結(jié)構(gòu)兜孔與增大圓角過渡結(jié)構(gòu)兜孔的對(duì)比分析可以看出，2種結(jié)構(gòu)均可大幅度減緩應(yīng)力集中，效果相似，但鉆銑方式加工的精度明顯高于拉削加工。

3)選用越程槽結(jié)構(gòu)不但可以大幅度減少應(yīng)力集中且易于保證加工精度，適用于圓柱滾子軸承保持架兜孔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。