基于ANSYS的油膜軸承壓蓋外輪廓改進(jìn)分析研究

申 偉

(太原重工 油膜軸承分公司，山西 太原 030024)

1 壓蓋結(jié)構(gòu)輪廓的改進(jìn)

油膜軸承壓蓋主要承受來(lái)自軋機(jī)油膜軸承運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向力，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由于其外輪廓中存在大的圓弧過(guò)渡結(jié)構(gòu)，在實(shí)際加工時(shí)需要采用數(shù)控編程來(lái)完成，批量生產(chǎn)時(shí)加工周期較長(zhǎng)。為了提高壓蓋結(jié)構(gòu)的加工效率，將其更改為如圖1(b)所示直線輪廓。本文利用有限元仿真技術(shù)對(duì)兩種壓蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和剛度進(jìn)行對(duì)比分析，確保更改后的結(jié)構(gòu)能滿足使用過(guò)程中的強(qiáng)度和剛度要求，從而證明壓蓋結(jié)構(gòu)更改的可行性。圖1中的圓弧外輪廓壓蓋和直線外輪廓壓蓋除了壓蓋外部輪廓改變之外，其余結(jié)構(gòu)尺寸均相同。

圖1 兩種外輪廓壓蓋的對(duì)比

2 壓蓋有限元仿真的前處理

壓蓋在工作過(guò)程中承受來(lái)自支承輥傳遞過(guò)來(lái)的軸向載荷作用，其中載荷通過(guò)止推軸承的內(nèi)圈傳遞，鎖緊螺母的端面為壓蓋提供了支撐，因此在建模過(guò)程中引入了鎖緊螺母和止推軸承內(nèi)圈的幾何模型，考慮到分析模型具有對(duì)稱(chēng)性，引入原模型的1/2作為有限元分析模擬的對(duì)象。仿真分析中，采用有限元軟件ANSYS對(duì)該模型進(jìn)行分析。

圖2為圓弧外輪廓壓蓋幾何模型，通過(guò)定義壓蓋和止推軸承內(nèi)圈、壓蓋和鎖緊盤(pán)螺母之間的接觸關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。為了提高接觸計(jì)算的精度，接觸算法類(lèi)型采用了增廣的拉格朗日法[1]。接觸類(lèi)型為帶有摩擦的接觸，壓蓋和鎖緊螺母、止推軸承內(nèi)圈之間的摩擦因數(shù)定義為0.15。

圖2 圓弧外輪廓壓蓋幾何模型 圖3 圓弧外輪廓壓蓋有限元模型 圖4 圓弧外輪廓壓蓋有限元模型邊界條件

為了提高仿真計(jì)算的精度和速度，利用網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格分割，將分析的幾何模型全部離散化為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[2]，在對(duì)比不同模型計(jì)算中采用了相同的網(wǎng)格密度。圖3為網(wǎng)格劃分完成的圓弧外輪廓壓蓋有限元模型。圖4為有限元模型的邊界條件設(shè)定，其中鎖緊螺母螺紋處采用固定約束，模型的對(duì)稱(chēng)面上采用了對(duì)稱(chēng)約束，載荷施加在止推軸承內(nèi)圈端面上。

3 壓蓋有限元仿真結(jié)果分析

圖5為圓弧外輪廓壓蓋的變形云圖，壓蓋的最大變形為0.293 mm。圖6為直線外輪廓壓蓋的變形云圖，壓蓋的最大變形為0.299 mm。通過(guò)仿真對(duì)比可知，這兩種結(jié)構(gòu)的壓蓋剛度上相對(duì)比并無(wú)顯著性差異。

圖5 圓弧外輪廓壓蓋的變形云圖 圖6 直線外輪廓壓蓋的變形云圖 圖7 圓弧外輪廓壓蓋的應(yīng)力云圖

圖7為圓弧外輪廓壓蓋的最大等效應(yīng)力云圖，壓蓋應(yīng)力值最大的位置是和鎖緊螺母接觸的邊界處，最大等效應(yīng)力值為289 MPa。圖8為直線外輪廓壓蓋的最大等效應(yīng)力云圖，壓蓋應(yīng)力值最大的位置同樣為和鎖緊螺母接觸的邊界處，最大等效應(yīng)力值為261 MPa。相比圓弧外輪廓壓蓋，直線外輪廓壓蓋在相同網(wǎng)格密度下等效應(yīng)力值降低，應(yīng)力分布狀況有所改善。

圖8 直線外輪廓壓蓋的應(yīng)力云圖 圖9 圓弧外輪廓壓蓋端面的接觸應(yīng)力分布 圖10 直線外輪廓壓蓋端面的接觸應(yīng)力分布

圖9為圓弧外輪廓壓蓋和止推軸承內(nèi)圈接觸處端面的應(yīng)力分布狀況，應(yīng)力值最大為158 MPa。圖10為直線外輪廓壓蓋和止推軸承內(nèi)圈接觸處端面的應(yīng)力分布狀況，應(yīng)力值最大為163 MPa。通過(guò)對(duì)比接觸應(yīng)力分布可知，兩種壓蓋結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分布無(wú)顯著性差異。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)以上仿真分析可以得出，采用直線外輪廓的壓蓋替換圓弧外輪廓壓蓋對(duì)剛度和應(yīng)力值變化沒(méi)有顯著的影響。因此采用直線輪廓壓蓋不會(huì)存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度降低的現(xiàn)象。

(2) 采用直線外輪廓壓蓋的最大等效應(yīng)力值低于圓弧外輪廓壓蓋，使應(yīng)力值高區(qū)域的應(yīng)力分布得到改善。

(3) 通過(guò)有限元仿真模擬分析，對(duì)壓蓋外輪廓優(yōu)化提供了理論上的支撐，能夠確保優(yōu)化輪廓后壓蓋結(jié)構(gòu)的可靠性。