董金龍，張靜靜，倪真真

基于COBRA的角接觸球軸承仿真分析

董金龍1，張靜靜1，倪真真2

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江哈爾濱150025；2. 中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 工程技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱 150025）

借助COBRA軟件對某角接觸球軸承的游隙和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了仿真分析，大大減少軸承的接觸應(yīng)力和滾道磨損發(fā)熱量，縮短了設(shè)計周期，提高了生產(chǎn)效率。

COBRA分析軟件；角接觸球軸承；接觸應(yīng)力；游隙

1 前言

COBRA軟件是基于非線性擬動力學(xué)理論編制的一款滾動軸承分析軟件，能夠?qū)S承的接觸應(yīng)力、油膜厚度、工作游隙等進行分析，并能夠自動建立軸承ANSYS溫度模型，利用ANSYS FEA模型的反復(fù)計算迭代,分析出相應(yīng)的溫度場和應(yīng)力分布圖。疲勞壽命計算采用了最先進的基于應(yīng)力的壽命模型，壽命系數(shù)的確定采用1992STLE理論，使軸承的計算壽命更加準(zhǔn)確。為軸承優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，縮短了軸承產(chǎn)品研發(fā)周期。

滾動軸承廣泛應(yīng)用于各種機械裝備中。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是某些特種新型裝備向著更高速度、更高溫度、更長壽命的方向發(fā)展，為了更好預(yù)測軸承的動態(tài)特性，需要借助COBRA進行仿真分析，通過分析對軸承設(shè)計進行改進，可以大大縮短設(shè)計周期，提高生產(chǎn)效率。

2 分析軟件簡介

圖1 COBRA軟件啟動界面

COBRA軟件由J.V Poplawski、S .M Peter和R.G.FLOWES研發(fā)，本程序可以對高速軸承或轉(zhuǎn)子系統(tǒng)建立具有5個自由度的計算模型，分析中可以考慮軸承裝配、滾子的圓度誤差、局部傾斜引起的軸系變形、潤滑和STLE壽命系數(shù)等因素[1-2]，適用于深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承等軸承的分析，分析的結(jié)果包括接觸應(yīng)力、壽命、保持架所受的沖擊載荷、油膜厚度等，還可以分析循環(huán)工況以及軸承對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)或軸承箱產(chǎn)生的變形、應(yīng)力等影響[3]。COBRA軟件可以自動建立軸承的ANSYS溫度模型，利用ANSYS FEA模型的反復(fù)計算迭代，分析出相應(yīng)的溫度場和應(yīng)力分布圖。

COBRA采用右旋正交坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系顯示把Z軸作為軸的旋轉(zhuǎn)軸，并定義從左向右為正方向。X軸的正方向向上，Y軸的正方向是垂直紙面向外（朝向視者）。采用軸向位移量對角接觸球軸承和圓錐滾子軸承施加預(yù)載荷。從左向右建立軸系，用第一個軸段的左端點為坐標(biāo)系的原點，所有的接觸角以原點的順時針為正。

3 算例分析

下面以某角接觸球軸承為例進行分析。

該軸承在150℃的工況下，軸承游隙為0.14mm，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速11 156r/min，外圈反向轉(zhuǎn)速13 218r/min，軸向載荷為13 000N，徑向載荷為15 000N，計算保持架的載荷，內(nèi)、外滾道的接觸應(yīng)力，鋼球載荷，滑滾比及軸承壽命。

軸承內(nèi)圈、外圈材料為8Cr4Mo4V，軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 1。

表1 角接觸球軸承主要參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)數(shù)據(jù)，通過COBRA進行仿真分析得軸承壽命，并繪制出保持架的載荷分布，內(nèi)、外滾道的接觸應(yīng)力分布，鋼球載荷分布以及滑滾比，如圖 2～5所示。

軸承內(nèi)、外圈接觸應(yīng)力分布如圖 2所示，圖2中橫坐標(biāo)為軸承鋼球位置角，縱坐標(biāo)為內(nèi)、外滾道接觸應(yīng)力。

圖2 內(nèi)、外圈接觸應(yīng)力分布

軸承保持架的載荷分布如圖 3所示，圖 3中橫坐標(biāo)為軸承鋼球位置角，縱坐標(biāo)為保持架沖擊載荷。

圖3 保持架載荷分布

軸承鋼球載荷分布如圖 4所示，圖 4中橫坐標(biāo)為軸承鋼球位置角，縱坐標(biāo)為鋼球載荷。

圖4 鋼球載荷分布

軸承鋼球的滑滾比如圖 5所示，圖 5中橫坐標(biāo)為軸承鋼球位置角，縱坐標(biāo)為軸承的滑滾比。

圖5 軸承鋼球的滑滾比分布

通過以上分析可知，軸承接觸應(yīng)力將近為2 400MPa，滑滾比高達2.5，很可能發(fā)生套圈工作表面快速剝落及滾道表面燒傷等危險。

為了避免上述情況發(fā)生，通過COBRA進行軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得到優(yōu)化后的軸承內(nèi)、外圈接觸應(yīng)力、鋼球載荷分布及滑滾比分布如圖6～8所示。

圖6 軸承優(yōu)化后的內(nèi)、外圈接觸應(yīng)力

圖7 軸承優(yōu)化后的鋼球載荷分布

圖8 軸承優(yōu)化后滑滾比分布

由以上優(yōu)化分析圖和COBRA計算結(jié)果可知：軸承壽命最長時，設(shè)計游隙為0.05mm，接觸應(yīng)力為1859.3MPa，軸承滑滾比為1，壽命為3085.4h，滿足了客戶的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

（1） 通過COBRA高級高速優(yōu)化分析軟件可以對軸承結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，并得到良好的軸承力學(xué)性能，成功地解決了由于軸承前期設(shè)計參數(shù)不合理導(dǎo)致應(yīng)力過大，磨損過熱以及壽命短等問題，滿足了主機客戶對壽命的要求。

（2）采用擬動力學(xué)仿真軟件COBRA對角接觸球軸承進行仿真，可以直觀地了解鋼球與內(nèi)、外圈、保持架之間的作用載荷；通過研究角接觸球軸承的應(yīng)力分布，準(zhǔn)確模擬了軸承的動態(tài)特性，為軸承設(shè)計提供了理論依據(jù)，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率。

[1] 王黎欽.滾動軸承極限設(shè)計[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2013.

[2] 楊沛然.流體潤滑數(shù)值分析[M].北京：國防工業(yè)出版社.1998.

[3] 彭 波，王黎欽，崔 立，等.角接觸球軸承分析模型的數(shù)值求解[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，41 (3)：370-374.

（編輯：鐘 媛）

Simulation analysis of angular contact ball bearing based on COBRA

Dong Jinlong1, Zhang Jingjing1, Ni Zhenzhen2
(1.Bearing R＆D Center, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025, China; 2.Engineering Technology Department, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025,China)

With the help of COBRA software, simulation analysis of clearance and structure parameters of a certain angular contact ball bearing was made.Contact stress of the bearing and wear heat of raceway were both reduced greatly, so that the design cycle was shortened with high effciency.

COBRA analysis software; angular contact ball bearing; contact stress; clearance

TH133.33+1

B

1672-4852（2015）01-0044-03

2014-10-15.

董金龍（1988-），男，助理工程師.