四點(diǎn)接觸球軸承重要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析方法

摘要：【目的】基于四點(diǎn)接觸球軸承接觸力學(xué)特性分析，對(duì)軸承重要結(jié)構(gòu)參數(shù)（接觸角、溝曲率半徑系數(shù)和徑向游隙）進(jìn)行設(shè)計(jì)，并綜合考慮軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承滾道次表面應(yīng)力的影響，旨在為四點(diǎn)接觸球軸承的設(shè)計(jì)提供新的參考?！痉椒ā客ㄟ^(guò)建立高精度四點(diǎn)接觸球軸承多體接觸動(dòng)力學(xué)模型，采用有限元分析方法對(duì)接觸力學(xué)模型軸承滾道次表面應(yīng)力和淬硬層深度的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，初始接觸角越大，軸承承載能力越大，次表面應(yīng)力峰值和所需最小淬硬層深度越小，但易發(fā)生橢圓截?cái)?，建議初始接觸角選取45°～50°中較小值；溝曲率半徑系數(shù)越小，軸承承載能力越大，次表面應(yīng)力和最小淬硬層深度越小，建議溝曲率半徑系數(shù)在0. 52～0. 53范圍內(nèi)取值；游隙減小，內(nèi)圈左側(cè)應(yīng)力微小增大，右側(cè)應(yīng)力減小，最佳游隙為-0. 03 mm。

關(guān)鍵詞：四點(diǎn)接觸球軸承；載荷分布；力學(xué)性能；結(jié)構(gòu)參數(shù)；次表面應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 DOI： 10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 003

0 引言

四點(diǎn)接觸球軸承能夠承受復(fù)雜的載荷，承受軸向力、徑向力、傾覆力矩等多種復(fù)合載荷。單排四點(diǎn)接觸球軸承的溝道為桃形溝，其特殊的結(jié)構(gòu)保證了四點(diǎn)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(zhuǎn)阻力更小等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用[1]。因此，研究大型四點(diǎn)接觸球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)力學(xué)特性的影響很有必要。

為確定最大接觸載荷，必須計(jì)算四點(diǎn)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(jì)算載荷分布的迭代模型。傳統(tǒng)的軸承力學(xué)模型分析中常認(rèn)為軸承是接地的，即軸承支承剛度無(wú)限大。ZUPAN 等[3]考慮了支撐結(jié)構(gòu)剛度對(duì)回轉(zhuǎn)支承滾道載荷分布的影響，進(jìn)一步提高了模型的準(zhǔn)確性。POTO?NIK等[4]闡述了轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的接觸力分布與靜態(tài)承載能力的分析方法，分析了軸承間隙以及預(yù)定義不規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的接觸力分布。AMASOR?RAIN等[5]以Hertz接觸理論為基礎(chǔ)，通過(guò)討論滾道曲率中心承載前后變化規(guī)律，建立了沿滾動(dòng)體方位角分布的滾動(dòng)體受力方程，通過(guò)牛頓迭代法得到四點(diǎn)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(diǎn)接觸球軸承計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮軸承負(fù)游隙、滾道溝曲率半徑系數(shù)和滾動(dòng)體直徑對(duì)軸承承載能力的影響，建立了接觸載荷分布計(jì)算模型。王亞濤等[7]針對(duì)四點(diǎn)接觸球軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)了深入研究，并將接觸角作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行考查，結(jié)果表明，接觸角的變化會(huì)直接影響軸承的性能。王廷劍等[8]詳細(xì)闡述了，外圈溝曲率半徑系數(shù)是影響軸承壽命的主要因素，其余依次為球徑、內(nèi)圈溝曲率半徑系數(shù)、徑向游隙、球數(shù)、墊片角，結(jié)果表明，隨內(nèi)、外圈溝曲率半徑系數(shù)增大，壽命減??；隨徑向游隙增大，壽命先增大后趨于穩(wěn)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(jì)算方法，并強(qiáng)調(diào)了游隙在軸承設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用。王燕霜等[10]根據(jù)四點(diǎn)接觸球軸承精確靜承載曲線(xiàn)，提出了一種設(shè)計(jì)軸承溝曲率半徑系數(shù)的方法，并與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了其方法的準(zhǔn)確性。此外，風(fēng)電軸承在交變應(yīng)力作用下，滾道接觸表面或次表面易產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而會(huì)引發(fā)疲勞剝落，加劇磨損。所以，探究次表面應(yīng)力的變化趨勢(shì)也至關(guān)重要。研究表明，軸承最大損傷發(fā)生在滾道次表面，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在滾道一定深度[11]。Hertz研究集中在載荷引起的表面應(yīng)力，局限于接觸面的應(yīng)力規(guī)律[12]。李碧波等[13]依靠Hertz公式和有限元法進(jìn)一步推導(dǎo)了接觸表面下的應(yīng)力計(jì)算式。杜靜等[14]在滾道次表面應(yīng)力理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，研究了軸承不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾道次表面應(yīng)力的影響，并將理論計(jì)算與有限元分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明了其合理性。

目前，特大型四點(diǎn)接觸球軸承在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用廣泛，但其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承力學(xué)性能影響的研究較少。本文研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承力學(xué)性能的影響，并綜合考慮軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承滾道次表面應(yīng)力的影響，為四點(diǎn)接觸球軸承的設(shè)計(jì)提供了新參考。