溝槽型織構化圓錐滾子軸承保持架的動力學分析①

金志浩, 王志慧, 龍日升,*, 王 明

(1.沈陽化工大學裝備可靠性研究所,遼寧 沈陽 110142;2.中建安裝集團有限公司,江蘇 南京 210046)

0 引 言

滾動軸承是機械設備中應用最廣泛的零件之一[1]。圓錐滾子軸承作為滾動軸承的一種,具有滾子與滾道之間的接觸面積大,剛性高,抗疲勞性能好等優(yōu)點,在風力發(fā)電機齒輪箱和高速鐵路機車等重型機械設備中得到了廣泛應用[2]。

軸承在運行過程中會產(chǎn)生沖擊,過大的沖擊會破壞軸承保持架的穩(wěn)定性,影響設備的使用安全。目前已有很多學者針對軸承保持架的穩(wěn)定性做了許多研究。涂文兵等利用中心差分法對高速列車軸箱軸承進行顯示動力學求解,發(fā)現(xiàn)軸承保持架的穩(wěn)定性隨車速的提高而提高[3]。鄧四二等利用Adams對高速圓柱滾子軸承進行動力學分析,研究了不同引導方式下軸承保持架的動態(tài)響應規(guī)律。結果表明,在外圈固定,內圈旋轉的情況下,兜孔間隙與保持架-引導套圈間隙之比越小,保持架質心軌跡越規(guī)則,且保持架采用外引導的方式時更為穩(wěn)定[4]。楊海生等利用Adams剛柔耦合動力學軟件進行仿真分析。結果表明,高速輕載工況下易產(chǎn)生較大的打滑率,適當?shù)脑龃筝S承徑向游隙可以降低打滑率[5]。Zhang等人對圓柱滾子軸承進行動力學分析,結果表明,滾子在工作過程中對保持架的沖擊會導致保持架發(fā)生不穩(wěn)定的旋轉,轉速發(fā)生不規(guī)則變化[6]。

以上均是對光滑軸承保持架不同方面的研究,目前對于織構化滾動軸承保持架的運動特性研究尚未見報道。因此,通過構建溝槽織構化圓錐滾子軸承的三維模型,并對模型進行Adams動力學軟件仿真分析,探討溝槽寬度及內圈轉速對圓錐滾子軸承保持架動力學行為的影響。這將為織構化滾動軸承可靠性研究提供參考。

1 系統(tǒng)模型建立

1.1 參數(shù)確定及模型建立

采用型號為30206的圓錐滾子軸承,軸承裝配示意圖如圖1所示。該軸承的主要參數(shù)如表1所示。

表1 圓錐滾子軸承相關尺寸

圖1 30206圓錐滾子軸承裝配示意圖

1.2 模型假設與分析設置

通過Adams動力學仿真分析研究不同條件下保持架質心的運動軌跡。在對軸承建模時,需要對軸承進行簡化處理,并作出以下假設[7]:

(1)假設各零件為剛體,忽略柔性體變形;

(2)發(fā)生的接觸為彈性變形接觸;

(3)各零件形心與質心重合。

在Adams仿真分析過程中,需要對各零件之間設置接觸屬性,具體設置參數(shù)如表2所示。

表2 軟件接觸參數(shù)設置

導入Adams中的軸承裝配體還需要進行約束設置,創(chuàng)建軸承外圈與大地之間的固定副約束,創(chuàng)建軸承內圈與軸承外圈之間的旋轉副,創(chuàng)建圓錐滾子與軸承內外圈、保持架之間的接觸屬性,完成上述設置的軸承模型如圖2所示[8]。

圖2 運動副構建

2 仿真結果與分析

2.1 不同轉速條件下保持架的質心軌跡

設置軸承內圈為點驅動,軸向施加載荷2000N,徑向施加載荷為2000N。徑向載荷方向與軸承承受重力方向相同,均為Y軸正方向。當軸承內圈轉速分別設置為5000d/s,10000d/s和15000d/s時,無織構圓錐滾子軸承的質心軌跡如圖3所示。

圖3 不同轉速條件下保持架質心的運動軌跡:(a) 5000d/s; (b) 10000d/s; (c) 15000d/s

由圖3可見,在相同載荷條件和不同轉速下保持架質心的運動軌跡均呈橢圓狀。當軸承內圈轉速較低時,保持架質心的運動軌跡呈現(xiàn)出橢圓的趨勢,但波動較大,穩(wěn)定性較差如圖3(a)所示。隨著內圈轉速的提高,質心軌跡呈現(xiàn)完整的橢圓形狀,保持架的運動狀態(tài)也愈發(fā)穩(wěn)定,如圖3(b),3(c)所示。由此可知,在合理的轉速范圍內,適當提高軸承內圈的轉速,保持架的穩(wěn)定性能更佳。

圖4 不同織構參數(shù)示意圖:(a) 溝槽織構寬度為54.59μm;(b) 溝槽織構寬度為233.27μm;(c) 溝槽織構寬度為466.52μm

2.2 不同織構參數(shù)下保持架的質心軌跡

對圓錐滾子軸承外滾道進行徑向溝槽織構化處理,溝槽深度50μm,寬度分別為54.59μm,233.27μm,466.52μm,對應周向角度分別為0.117°,0.5°,0.9°。溝槽條數(shù)為30,如圖4所示。對溝槽織構化圓錐滾子軸承的保持架進行動力學分析,觀察軸承在相同工況、不同織構寬度條件下保持架質心的運動軌跡,如圖5所示。

圖5 不同織構寬度下軸承保持架質心運動軌跡:(a)無織構軸承保持架質心運動軌跡;(b)溝槽寬度為54.59μm的軸承保持架質心運動軌跡;(c)溝槽寬度為233.27μm的軸承保持架質心運動軌跡;(d)溝槽寬度為466.52μm的軸承保持架質心運動軌跡

轉速為15000d/s時溝槽織構的寬度對圓錐滾子軸承保持架質心穩(wěn)定性能的影響規(guī)律,如圖5所示。圓錐滾子軸承在啟動初期,保持架的實際轉速小于理論轉速,保持架質心的運動軌跡在運行初期較為紊亂。隨著仿真時間的增長,軸承轉速不斷提高,保持架逐步穩(wěn)定,呈橢圓趨勢。通過對比無織構圓錐滾子軸承與織構化圓錐滾子軸承的保持架質心軌跡圖可知,溝槽寬度為233.27μm,對應周向角度0.5°的軸承,其保持架質心軌跡波動較小,橢圓較為平整,運行更為穩(wěn)定。

3 結 論

利用Adams對30206圓錐滾子軸承的保持架進行了動力學求解分析,揭示了相同承載條件下軸承內圈轉速及溝槽織構寬度對圓錐滾子軸承保持架質心軌跡的影響,得到以下結論:

1)隨著軸承內圈轉速的提高保持架質心的運動軌跡呈橢圓的趨勢越明顯,運動穩(wěn)定性提高。

2)通過觀察在不同織構參數(shù)下保持架質心的運動軌跡圖可知,溝槽織構寬度為233.27μm,對應周向角度0.5°的圓錐滾子軸承,其保持架質心軌跡波動較小,橢圓較為平整,運行更為穩(wěn)定。