盧黎明，曾國文，余云云

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌　330013)

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基于ABAQUS的滾滑軸承動(dòng)力學(xué)分析*

盧黎明，曾國文，余云云

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌330013)

以滾滑軸承為研究對(duì)象，運(yùn)用 ABAQUS有限元仿真分析軟件，建立了軸承的有限元分析計(jì)算模型，并對(duì)其彈性接觸狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了仿真分析，得到了軸承各零件最大應(yīng)力的分布及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明有限元法能夠精確的求解滾滑軸承動(dòng)力學(xué)問題，在穩(wěn)定工況下，滑塊與內(nèi)、外圈接觸的表面應(yīng)力最大，內(nèi)、外圈表面的應(yīng)力次之，圓柱滾子表面的應(yīng)力最小。其中滑塊承受了較大部分的載荷，有效地降低了滾子表面的接觸應(yīng)力，且滑塊與滾子之間的協(xié)調(diào)性良好。

滾滑軸承；動(dòng)力學(xué)分析；有限元法

0　引言

滾滑軸承是一種由內(nèi)圈、滾子、滑塊及外圈組成，兼具滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承優(yōu)點(diǎn)的新型軸承，由于該軸承采用了滾子和滑塊的聯(lián)合作用，滑塊與內(nèi)外圈接觸面積大且其間的油膜起減振作用，因此該軸承能很好的適應(yīng)重載和沖擊載荷的環(huán)境[1]，非常適用在中速重載工況下工作。在重載沖擊環(huán)境下，滑塊、滾子與內(nèi)、外圈滾道及滑塊與滾子之間存在著劇烈碰撞，容易造成滾滑軸承的失效。國外學(xué)者M(jìn)eeks、Gupta等建立了滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)分析模型[2-3]，國內(nèi)學(xué)者對(duì)滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)分析也做了大量有益的研究[4-6]，然而對(duì)滾滑軸承各零件的最大應(yīng)力分布及其變化規(guī)律的研究甚少，并且準(zhǔn)確地描述軸承各零件的應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)滾滑軸承的設(shè)計(jì)制造具有重要的指導(dǎo)意義。

本文采用ABAQUS軟件建立了滾滑軸承的有限元模型，仿真分析了軸承滑塊、圓柱滾子和內(nèi)外圈的彈性接觸應(yīng)力情況及軸承的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以期得到滑塊、圓柱滾子及內(nèi)、外圈滾道的應(yīng)力分布情況以及軸承的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方面的規(guī)律。

1　滾滑軸承的結(jié)構(gòu)

滾滑軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓柱滾子和滑塊間隔分布在內(nèi)、外圈滾道上。為了避免軸承在靜止工況下單個(gè)圓柱滾子表面所受的應(yīng)力太大，因此圓柱滾子和滑塊的數(shù)量不能過少，但是圓柱滾子過多會(huì)導(dǎo)致滑塊尺寸減小，將不利于滑塊形成動(dòng)壓油膜，因此，圓柱滾子和滑塊的數(shù)量應(yīng)根據(jù)特定場合和軸承尺寸的不同進(jìn)行確定。

圖1　滾滑軸承和滑塊的結(jié)構(gòu)模型

其中圓柱滾子的主要功能是使?jié)L滑軸承延續(xù)滾動(dòng)軸承的優(yōu)良特性，比如剛啟動(dòng)時(shí)刻摩擦阻力小和高速旋轉(zhuǎn)時(shí)刻保持穩(wěn)定性能等，而滑塊的主要功能是使?jié)L滑軸承延續(xù)滑動(dòng)軸承的優(yōu)良性能，比如承受較大徑向載荷等性能[7]。

2　滾滑軸承有限元模型的建立

2.1滾滑軸承有限元結(jié)構(gòu)模型的簡化

由于滾滑軸承的實(shí)際構(gòu)造非常復(fù)雜，要建立完整的一個(gè)包含所有結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元模型難度非常大，甚至不太可能，所以在不影響分析結(jié)果的前提下，為了便于分析，做如下簡化：

(1)忽略圓柱滾子與內(nèi)、外套圈擋邊之間的接觸。

(2)忽略潤滑劑對(duì)圓柱滾子與內(nèi)、外套圈滾道接觸時(shí)的黏性摩擦。

2.2建模的基本原理

ABAQUS/Explicit的顯式時(shí)間積分運(yùn)用的是中心差法,即在前一個(gè)增量步的基礎(chǔ)上計(jì)算下一個(gè)增量步。在增量步初始時(shí)，程序?qū)?dòng)力學(xué)平衡方程進(jìn)行求解，動(dòng)力學(xué)平衡方程為節(jié)點(diǎn)的合力等于節(jié)點(diǎn)質(zhì)量M乘以節(jié)點(diǎn)加速度a，即：

Ma=P-I

式中:I是結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力,P是所施加的外力[8-9]。

2.3材料選擇、網(wǎng)格劃分和邊界條件

滾滑軸承各零件的材料均選用滲碳軸承鋼G20CrNi2Mo,彈性模量值為210GPa，泊松比為0.28，密度為7.8 g/cm3, 軸承各零件均采用顯式3D六面實(shí)體單元C3D8RT,應(yīng)用ABAQUS/Explicit動(dòng)力顯式進(jìn)行分析。仿真分析時(shí)采用外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)，故施加的邊界條件為：①限制外圈外表面所有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的自由度；②分別建立圓柱滾子與內(nèi)、外圈滾道的接觸對(duì)，采用面對(duì)面接觸方式，且接觸動(dòng)摩擦系數(shù)都設(shè)為0.05；③徑向載荷250 kN沿徑向施加于軸承的內(nèi)圈；④轉(zhuǎn)速 6000r/min 繞軸線方向施加于內(nèi)圈。仿真分析最初時(shí)為了讓轉(zhuǎn)速和載荷平穩(wěn)的建立起來，特設(shè)兩個(gè)分析步:第一個(gè)分析步用來給內(nèi)圈加徑向載荷及軸承自身的重力載荷;第二個(gè)分析步用來對(duì)內(nèi)圈施加轉(zhuǎn)速。第一個(gè)分析步的時(shí)間設(shè)為0.0002 s，第二個(gè)分析步的時(shí)間設(shè)為0.1s。

2.4滾滑軸承的結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)我國鐵路貨車軸承的實(shí)際使用場合，參照SKF353130型貨車軸承，選取滾滑軸承的基本參數(shù)如表1所示。

表1　滾滑軸承的基本參數(shù)

為了便于分析，規(guī)定最初時(shí)刻最下端的圓柱滾子為1號(hào)，沿內(nèi)圈滾道旋轉(zhuǎn)方向,與1號(hào)圓柱滾子相鄰的滑塊為2號(hào)，1號(hào)圓柱滾子頂部表面中間節(jié)點(diǎn)編號(hào)為9877， 2號(hào)滑塊與內(nèi)圈滾道接觸面頂部中間節(jié)點(diǎn)編號(hào)為3653，內(nèi)圈滾道與1號(hào)圓柱滾子表面接觸的中間節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1090，滾滑軸承的有限元模型如圖2所示。

圖2　滾滑軸承的有限元模型

3　計(jì)算實(shí)例與結(jié)果分析

3.1滾滑軸承應(yīng)力云圖

選取徑向載荷為250 kN、轉(zhuǎn)速為6000 r/min的工況，有限元仿真結(jié)束時(shí)刻軸承整體的應(yīng)力云圖如圖3所示，結(jié)束時(shí)刻滑塊和滾子的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖3　結(jié)束時(shí)刻軸承應(yīng)力云圖

圖4　滑塊和滾子應(yīng)力云圖

從圖3中可以看到，滾滑軸承在穩(wěn)定工況作用下，滑塊與內(nèi)、外圈接觸面的應(yīng)力最大，內(nèi)、外圈表面應(yīng)力次之，圓柱滾子表面承受的應(yīng)力最小。從圖4中可以看出,圓柱滾子表面中部應(yīng)力分布比較均勻，在軸向方向兩端處有輕微的應(yīng)力集中，從圖4中還可以看出滑塊的應(yīng)力分布很不均勻，在周向方向的兩側(cè)及軸向兩端處有輕微的應(yīng)力集中，而且滑塊與內(nèi)圈滾道接觸面的應(yīng)力大于滑塊與外圈滾道接觸面的應(yīng)力。

3.2圓柱滾子和滑塊上的應(yīng)力曲線圖

為了進(jìn)一步觀察滾滑軸承在運(yùn)動(dòng)過程中各零件的應(yīng)力變化情況，選取圓柱滾子、滑塊上的一些特殊單元節(jié)點(diǎn)(如節(jié)點(diǎn)9877，3653等)進(jìn)行分析，分析得到圓柱滾子、滑塊上單元節(jié)點(diǎn)的時(shí)間-應(yīng)力圖如圖5和圖6所示。

圖5　滾子9877節(jié)點(diǎn)單元的時(shí)間-應(yīng)力圖

圖6　滑塊3653單元時(shí)間-應(yīng)力圖

從圖5中可以看到圓柱滾子表面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力波峰共發(fā)生了20次，應(yīng)力最大值出現(xiàn)的地方表示圓柱滾子與內(nèi)、外圈滾道接觸的表面上選定的節(jié)點(diǎn)發(fā)生了接觸;應(yīng)力較小的波峰值點(diǎn)表示圓柱滾子表面與滑塊兩側(cè)面發(fā)生了接觸;在圓柱滾子表面節(jié)點(diǎn)與內(nèi)、外圈滾道及滑塊側(cè)面接觸的其他時(shí)刻，圓柱滾子表面沒有發(fā)生接觸，應(yīng)力值很小;每次應(yīng)力的最大值不相等，表明軸承受力的不穩(wěn)定性，這與軸承在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力導(dǎo)致內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性相符合。

從圖6中可以看到滑塊表面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力共發(fā)生了7次，應(yīng)力最大值出現(xiàn)的地方表示滑塊節(jié)點(diǎn)與內(nèi)圈滾道發(fā)生了接觸，第一個(gè)波峰與第二波峰的間隔比其他波峰的間隔更小，這是因?yàn)閮?nèi)圈在高速旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)帶動(dòng)滑塊和圓柱滾子一起旋轉(zhuǎn)，因此在滑塊節(jié)點(diǎn)每一次和內(nèi)圈滾道接觸的時(shí)間會(huì)比前一次接觸時(shí)慢一點(diǎn)。在滑塊和內(nèi)圈滾道接觸但未受到有效載荷施加的時(shí)刻應(yīng)力值很小，并且每次波峰的大小并不相等，進(jìn)一步說明了軸承受力的不穩(wěn)定性。

3.3圓柱滾子、滑塊和內(nèi)圈的位移曲線圖

滾滑軸承在穩(wěn)定工況時(shí)刻，內(nèi)圈在外力作用下以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，因摩擦力而帶動(dòng)滑塊及圓柱滾子旋轉(zhuǎn)，滑塊與圓柱滾子之間會(huì)有相互的約束作用，為了進(jìn)一步分析滾滑軸承的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，取內(nèi)圈滾道上的節(jié)點(diǎn)1090、滑塊上的節(jié)點(diǎn)3653和圓柱滾子表面上的節(jié)點(diǎn)9877進(jìn)行分析，其時(shí)間-位移圖如圖7～圖9所示。

圖7　內(nèi)圈1090節(jié)點(diǎn)的位移圖

圖8　滾子9877節(jié)點(diǎn)的位移圖

圖9　滑塊3653節(jié)點(diǎn)的位移圖

從圖7中可以看到，內(nèi)圈滾道節(jié)點(diǎn)位移有10個(gè)循環(huán)周期，即旋轉(zhuǎn)了10圈，位移波峰間隔均勻；從圖8中可以看到圓柱滾子在繞軸承中心旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還繞自身的中心旋轉(zhuǎn)，圓柱滾子表面和滑塊接觸表面的節(jié)點(diǎn)在周向平面內(nèi)與軸承中心距離的位移幾乎不變，表明圓柱滾子的自轉(zhuǎn)方向與內(nèi)圈滾道的旋轉(zhuǎn)方向基本相同，并且位移波峰間隔并不相等，表明圓柱滾子與滑塊及與內(nèi)、外圈滾道之間不僅有滾動(dòng)還有一定的滑動(dòng)。從圖9中可以看到滑塊隨著內(nèi)圈繞著軸承中心轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊的位移波峰間隔比內(nèi)圈的位移波峰間隔大，這是因?yàn)榛瑝K的旋轉(zhuǎn)速度低于內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度緣故。

4　結(jié)論

通過對(duì)滾滑軸承進(jìn)行ABAQUS/Explicit動(dòng)力顯式分析，可得到如下結(jié)論：

(1)滾滑軸承在穩(wěn)定工況下，滑塊與內(nèi)、外圈滾道接觸的表面應(yīng)力最大，內(nèi)、外圈表面應(yīng)力次之，圓柱滾子的表面應(yīng)力最小,軸承加工時(shí)，滑塊的強(qiáng)度和硬度應(yīng)比圓柱滾子和內(nèi)外套圈要高。

(2)滑塊與內(nèi)、外圈滾道的接觸表面應(yīng)力值分布不均勻,尤其是在周向方向的兩側(cè)及軸向兩端處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,此現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響軸承的使用壽命，滑塊加工時(shí)需特別注意增大滑塊周向兩側(cè)及軸向兩側(cè)邊處的強(qiáng)度和硬度。

(3)圓柱滾子兩端有應(yīng)力突變現(xiàn)象，圓柱滾子設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意其兩端形狀及尺寸的設(shè)計(jì)，以利于減小圓柱滾子的應(yīng)力集中。

(4)圓柱滾子與滑塊及與內(nèi)、外圈滾道之間既有滾動(dòng)也有滑動(dòng)，圓柱滾子與滑塊之間的滑動(dòng)比與內(nèi)、外圈滾道之間滑動(dòng)要嚴(yán)重的多，因此設(shè)計(jì)滑塊時(shí)，應(yīng)注意提高滑塊周向兩側(cè)面的耐磨性。

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(編輯李秀敏)

Dynamics Analysis of Rolling-sliding Compound Bearing Based on ABAQUS

LU Li-ming,ZENG Guo-wen,YU Yun-yun(College of Mechanical and Electrical Engineering, East China Jiao Tong University, Nanchang 330013, China)

Taking rolling-sliding compound bearing as a research object, Using finite element analysis software of ABAQUS, the elastic contacted problem of bearing has carried on simulative analysis. It is obtained that distribution of maximum stress of rolling-sliding compound bearing and its dynamic variational discipline, the results show that finite element method can accurately solve dynamic problems of rolling-sliding compound bearing. In a steady condition ,the slider under part load that effectively decrease the contacted stress of roller, and excellent coordination between roller and slider , Obtained conclusions can provide important guidance for design of roll-sliding compound bearing.

rolling-sliding compound bearing;dynamic analysis;FEM

1001-2265(2016)09-0103-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.029

2015-09-22

江西省自然科學(xué)基金(20142BAB206024)；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20143BBM26064)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ14360)

盧黎明(1963—)，男，江西高安人，華東交通大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)檩S承及液體潤滑控制，(E-mail)zengguowen2011@sina.com。

TH133;TG65

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