盧黎明,龔賀師,熊國(guó)良,馬冰冰
(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 南昌 330013)
軸承是機(jī)械裝備中的重要基礎(chǔ)件,在生產(chǎn)實(shí)踐中使用十分廣泛。然而在一些低速重載工作環(huán)境中,軸承的疲勞磨損問題十分嚴(yán)重[1],為此在文獻(xiàn)[2]研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了一種滾滑軸承[3],其主要由外圈、滾子、滑塊和內(nèi)圈組成。有關(guān)滾滑軸承的一些性能,如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,在受力運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾子和滑塊的受力情況等亟待確定。
針對(duì)滾滑軸承的受力運(yùn)動(dòng)情況,運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行滾滑軸承三維實(shí)體建模,然后利用虛擬樣機(jī)技術(shù)的ADMAS虛擬樣機(jī)分析軟件進(jìn)行滾滑軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真,分析研究滾滑軸承的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和其元件的受力情況,為滾滑軸承的進(jìn)一步深入研究和實(shí)際使用提供理論依據(jù)。
虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù),其核心部分是多體系運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。它是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)揉合在一起,在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型,并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析,預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能,進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)[4-5]。
虛擬樣機(jī)通常包括3個(gè)主要模塊:(1) 3D立體模塊,具備完善的物理模型描述能力;(2)人際交互模塊,虛擬樣機(jī)技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的逼真顯示、動(dòng)畫仿真和人機(jī)交互;(3)測(cè)試評(píng)估模塊,產(chǎn)品模型分析和評(píng)價(jià)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心,主要包括產(chǎn)品可制造性分析和產(chǎn)品性能評(píng)價(jià),例如產(chǎn)品幾何形狀、空間布局、結(jié)構(gòu)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、可加工性分析、可裝配性分析及可維護(hù)性分析等等。
滾滑軸承由內(nèi)圈、外圈、圓柱滾子和滑塊組成,結(jié)構(gòu)參數(shù)為:軸承內(nèi)徑38.35 mm,軸承外徑77.8 mm,軸承寬度23 mm,滾子直徑11.9 mm,滾子長(zhǎng)度28.6 mm,滑塊高度11.9 mm,滑塊中心弧長(zhǎng)28.4 mm,滑塊寬度21.05 mm,滑塊外弧直徑62.14 mm,滑塊內(nèi)弧直徑57.77 mm,滾子數(shù)6個(gè),滑塊數(shù)6個(gè)。通過這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定,滑塊可承擔(dān)大部分載荷,能降低滾子與套圈的接觸應(yīng)力;滑塊與滾子為相隔分布,這樣內(nèi)、外圈上的滑動(dòng)摩擦是間斷性的,散熱性好。
根據(jù)上述條件,運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行建模,得到滾滑軸承的立體模型如圖1所示。
將在Pro/E中建好的模型另存為x_t格式,然后導(dǎo)入ADAMS中,由于導(dǎo)入ADAMS中的幾何模型為曲面模型,故須對(duì)其進(jìn)行實(shí)體化。假定滾滑軸承材料為45#鋼,外圈與大地采用固定副連接,這樣可以使外圈固定不動(dòng);內(nèi)圈采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,并且對(duì)其賦予恒定轉(zhuǎn)速;施加于內(nèi)圈上的載荷為恒定載荷。由于滾子、滑塊、內(nèi)圈和外圈之間在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生碰撞,利用 ADAMS 軟件中的三維實(shí)體接觸類型solid to solid 選項(xiàng)來定義它們的碰撞力。將Pro/E中建好的模型及上述條件導(dǎo)入ADAMS中,得到滾滑軸承虛擬樣機(jī)如圖2所示。
圖1 滾滑軸承立體模型
在上述滾滑軸承虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)定滾滑軸承的轉(zhuǎn)速為1 400 r/min,軸承內(nèi)圈受到的恒定載荷為1 000 N,代入ADAMS 軟件進(jìn)行滾滑軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,可得滑塊隨時(shí)間的振動(dòng)位移如圖3所示,滾子隨時(shí)間的振動(dòng)位移如圖4所示,滑塊隨時(shí)間的受力情況如圖5所示,滾子隨時(shí)間的受力情況如圖6所示。
圖2 導(dǎo)入ADAMS中的滾滑軸承
圖3 滑塊的振動(dòng)位移
圖4 滾子的振動(dòng)位移
圖5 滑塊的受力情況
圖6 滾子的受力情況
由圖3及圖4可知,在0~ 0.3 s,滾子和滑塊并未隨內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),其原因是摩擦力影響,在0.3 s后,克服了摩擦力開始隨內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),這符合滾滑軸承的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)情況。另外,從圖中還可以看出滾子和滑塊上下振動(dòng)幅度較小,振幅在0.5 mm左右,由此可知:滾滑軸承運(yùn)行比較平穩(wěn),能有效避免產(chǎn)生大量的熱量和噪聲。
由圖5可知,當(dāng)滑塊處于最底端,滾滑軸承剛啟動(dòng)時(shí),滑塊平均受力1 000 N,圖中波形比較穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng),隨著滑塊位置的上升,其受力逐漸減少,最后穩(wěn)定在500 N左右,符合實(shí)際情況。由圖6可知,滾子平均受力50 N,滾子受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊受到的力。由此可以看出,滾滑軸承受力部分主要是由滑塊承擔(dān),這樣可有效減小滾子的接觸應(yīng)力,與設(shè)計(jì)初衷很吻合。
(1)滑塊承擔(dān)了主要的載荷,滾子受到的載荷則相對(duì)較小,滾子與內(nèi)、外圈間的接觸應(yīng)力減小,從而在相同條件下滾滑軸承比滾動(dòng)軸承具有更長(zhǎng)的使用壽命,符合設(shè)計(jì)初衷。
(2)滾子和滑塊的相對(duì)振動(dòng)幅度較小,滾滑軸承具有滾動(dòng)軸承同樣的平穩(wěn)工作性能。