基于SolidWorks的深溝球軸承的三維建模與仿真分析

張小波，秦天峰，潘　振

(1.貴州虹山虹飛軸承有限責(zé)任公司，貴州安順561000；2.陜西省延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安761000；3.貴州大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550000)

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基于SolidWorks的深溝球軸承的三維建模與仿真分析

張小波1，秦天峰2，潘振3

(1.貴州虹山虹飛軸承有限責(zé)任公司，貴州安順561000；2.陜西省延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安761000；3.貴州大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550000)

針對(duì)具體實(shí)例，利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合Toolbox插件，導(dǎo)出型號(hào)為6003的深溝球軸承三維模型。利用Simulation插件對(duì)深溝球軸承進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析以及疲勞分析，并與實(shí)際情況進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真分析的正確性。

深溝球軸承仿真SolidWorks三維建模

0　引言

滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)械中廣泛應(yīng)用的部件之一，它由內(nèi)圈、外圈、保持架和滾動(dòng)體四部分組成，依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。但是軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算極其復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算速度慢、效率低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代軸承設(shè)計(jì)發(fā)展的需求[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，三維設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，SolidWorks軟件是基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，有強(qiáng)大的三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真以及應(yīng)力分析的能力[3]。本文針對(duì)一工程實(shí)例，利用SolidWorks進(jìn)行滾動(dòng)軸承三維建模，并插入Simulation插件對(duì)建立的三維模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析，然后將仿真值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。

1　深溝球軸承三維建模

已知電機(jī)上某軸的支承根據(jù)工作條件決定選用型號(hào)為6003的深溝球軸承，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。軸承徑向載荷Fr=720 N，軸向載荷Fa=210 N，軸承轉(zhuǎn)速n為1 250 r/min，工作溫度70℃并選擇油潤(rùn)滑，要求連續(xù)工作2年(設(shè)每年按300個(gè)工作日計(jì)),8小時(shí)制，工作情況平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。

表1 軸承6003參數(shù)

圖1　深溝球軸承建模

運(yùn)行SolidWorks軟件后，點(diǎn)擊“工具”菜單，在“插件”選項(xiàng)中勾選Toolbox插件，然后直接在插入的設(shè)計(jì)庫(kù)中導(dǎo)出型號(hào)為6003的深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)件(圖1)。設(shè)計(jì)庫(kù)是SolidWorks的一大優(yōu)勢(shì)，其中包含很多標(biāo)準(zhǔn)件，比如：軸承、齒輪、鍵、螺栓螺母等[4]，這為工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)仿真帶來(lái)了極大的方便，提高了設(shè)計(jì)效率[5]。

2　滾動(dòng)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算

滾動(dòng)軸承在工作的過(guò)程中，同時(shí)承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa的作用，在進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須把實(shí)際載荷轉(zhuǎn)換為與確定的基本額定動(dòng)載荷的載荷條件一致的當(dāng)量動(dòng)載荷P。

求當(dāng)量動(dòng)載荷P

P=fp×(X×Fr+Y×Fa)

=821.436N

驗(yàn)算6003軸承的壽命

=6 306.05h

軸承6003額定壽命為6 306.05 h，可以滿足連續(xù)工作2年(每年按300個(gè)工作日計(jì)),8小時(shí)制。

3　仿真分析

深溝球軸承的三維實(shí)體模型建成以后，就可以使用Simulation插件對(duì)軸承進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析和疲勞分析，過(guò)程如下。

(1)創(chuàng)建新算例

運(yùn)行SolidWorks軟件，在“工具”菜單中插入“Simulation”插件，點(diǎn)擊Simulation界面中“算例顧問(wèn)”選擇創(chuàng)建新“算例1”，選擇靜態(tài)分析類(lèi)型。

(2)指派材料

軸承的屈服強(qiáng)度取決于所應(yīng)用的材料，材料選用高碳鉻軸承鋼GCr15，可以滿足絕大多數(shù)機(jī)械和機(jī)電產(chǎn)品的使用，而在SolidWorks材料庫(kù)中發(fā)現(xiàn)沒(méi)有GCr15軸承鋼，這就需要我們重新加載材料庫(kù)，下載一個(gè)比較全面的格式為“.sldmat”的材料庫(kù)，然后打開(kāi)SolidWorks的“工具”，點(diǎn)擊“選項(xiàng)”，彈出系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)話框，點(diǎn)擊“文件位置”，通過(guò)下拉菜單找到“材質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)”，添加下載好的材料庫(kù)。

在“應(yīng)用材料”對(duì)話框中，找到添加的材料庫(kù)，選擇“GCr15”，屈服強(qiáng)度為518.42 MPa。

(3)約束條件

在“添加夾具”菜單中選擇“固定幾何體”，選擇軸承的外圈為約束面。

(4)添加載荷

深溝球軸承中鋼球和套圈的受力接觸實(shí)際為點(diǎn)接觸，軸承工作時(shí)，外圈固定、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于固定套圈，處在承載區(qū)的各接觸點(diǎn)，按其所在位置的不同，將受到不同的載荷。對(duì)于每一個(gè)具體的點(diǎn)，每當(dāng)一個(gè)滾動(dòng)體滾過(guò)時(shí)，便承受一次大小不變的載荷，也就是受穩(wěn)定脈沖循環(huán)載荷作用，載荷頻率取決于內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。就滾動(dòng)體上的某一點(diǎn)而言，它的載荷及應(yīng)力是周期性地不穩(wěn)定的變化。

圖2　軸承裝夾、載荷、劃分網(wǎng)格

添加徑向載荷：在“外部載荷”菜單選“軸承載荷”，作用區(qū)域選軸承內(nèi)圈的內(nèi)圓柱面，坐標(biāo)系選“坐標(biāo)系1”，載荷值輸入821.436 N，選正弦分布(圖2)。

(5)劃分網(wǎng)格

有限元分析精度的關(guān)鍵在于劃分網(wǎng)格的密度，網(wǎng)格越小，離散誤差越低。在“運(yùn)行”的下拉菜單中選擇“劃分網(wǎng)格”，此算例采用四面體網(wǎng)格(圖2)，單元總數(shù)9 620個(gè)。

(6)運(yùn)行模擬和顯示結(jié)果

點(diǎn)擊“運(yùn)行”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)算分析，運(yùn)算完畢以后，系統(tǒng)會(huì)顯示軸承的應(yīng)力、應(yīng)變圖解信息，如圖3所示。

(7)疲勞分析

圖3　應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果

點(diǎn)擊“算例顧問(wèn)”選擇創(chuàng)建新“算例2”，選擇疲勞分析類(lèi)型，添加“算例1”為新事件，點(diǎn)擊“應(yīng)用/編輯疲勞數(shù)據(jù)”添加材料的“疲勞SN曲線”，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，系統(tǒng)自動(dòng)顯示仿真分析結(jié)果(圖4)。

圖4　軸承疲勞分析結(jié)果

4　仿真結(jié)果分析

由文獻(xiàn)[7、8]知，滾動(dòng)軸承的正常失效形式為內(nèi)外圈滾道或滾動(dòng)體上的點(diǎn)蝕破壞，并且70%以上的滾動(dòng)軸承是滾動(dòng)體先出現(xiàn)早期的疲勞破壞。從圖3應(yīng)力應(yīng)變圖解中可以看出滾動(dòng)軸承徑向載荷Fr的作用線上滾動(dòng)體以及內(nèi)外套圈溝道所受的應(yīng)力最大，大約為22.55 MPa。最大應(yīng)變也是發(fā)生在徑向載荷Fr作用線上的滾動(dòng)體以及內(nèi)外套圈溝道上，為7.481e-005。從仿真結(jié)果來(lái)分析，深溝球軸承在工作過(guò)程中，最大應(yīng)力應(yīng)變都是首先發(fā)生在徑向載荷Fr作用線上的滾動(dòng)體和內(nèi)外套圈的溝道上，所以滾動(dòng)體以及內(nèi)外圈溝道最容易發(fā)生點(diǎn)蝕破壞，與實(shí)際情況相符合，說(shuō)明仿真結(jié)果基本符合工程實(shí)際。

從圖4中可以看出，經(jīng)過(guò)“算例1”的事件以后，深溝球軸承徑向載荷Fr作用線上的滾動(dòng)體損壞百分比為0.1%，而從圖4(b)中可以看出，軸承顏色基本維持在深藍(lán)色沒(méi)有變化，這說(shuō)明當(dāng)量載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承鋼GCr15的疲勞極限，認(rèn)為深溝球軸承經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)都不會(huì)發(fā)生破壞。疲勞分析的結(jié)果也說(shuō)明深溝球軸承在工作過(guò)程中首先發(fā)生破壞的是滾動(dòng)體和內(nèi)外圈溝道，符合工程實(shí)際。

[1]歐陽(yáng)華兵,林峰,汪建平.基于SolidWorks軟件的滾動(dòng)軸承CAD及三維圖形建模[J].輕工機(jī)械,2007,25(6):45-47.

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[3]羅繼偉.滾動(dòng)軸承受力分析及其進(jìn)展[J].軸承,2001(9)：28-31.

[4]陳云.基于SolidWorks的軋輥軸承座有限元分析[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,29(2):28-30.

[5]劉玉琦,余榮鎮(zhèn),葉碧泉,等.軸承彈性接觸受力分析[J].軸承,1981(1)：5-10.

[6]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第5版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

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3D modeling and simulation analysis of deep groove ball bearings based on SolidWorks

ZHANG Xiaobo, QIN Tianfeng, PAN Zhen

In this study, we built up the 3D model of the 6003 deep groove ball bearing using 3D design software SolidWorks and the Toolbox plug-in. Then, with the Simulation plug-in, we carried out the stress simulation analysis and the fatigue analysis, and compared the results with the actual situation to verify the simulation.

deep groove ball bearing，simulation，SolidWorks，3D modeling

TP391.9

A

1002-6886(2016)04-0043-03

張小波(1987-)，男，貴州三都人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面工作。

2016-04-14