馮殿廣，楊錚鑫，黨鵬飛

（沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，110142，遼寧沈陽）

滾動(dòng)軸承作為現(xiàn)代機(jī)械裝備所必需的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其精度、材質(zhì)和性能直接影響著機(jī)械裝備的使用壽命、可靠性等。在工程應(yīng)用中，表面涂層技術(shù)可以有效改善軸承材料的性能，提高軸承材料的承載能力、可靠性和使用壽命[1]。絕緣涂層的特點(diǎn)有熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、高頻介電損耗小及絕緣電阻率高等，其中Al2O3以優(yōu)良的表面性能被廣泛用作絕緣材料[2-4]。絕緣軸承在電力行業(yè)、鐵路行業(yè)、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域的設(shè)備中，有著至關(guān)重要的地位。

絕緣軸承中涂層材料的接觸分析需要使用數(shù)值計(jì)算的方法，例如有限元法[5-6]、邊界元法[7]和半解析法[8]。有限元法的主要優(yōu)勢是概念淺顯清晰，易于掌握，描述簡單，應(yīng)用范圍廣，但需要大量的計(jì)算時(shí)間。Holmberg等[9]利用有限元法進(jìn)行了表面涂層的摩擦和斷裂性能分析；浙江大學(xué)鄢建輝[10]對(duì)TiN、TiC、Si3N4及SiC 四種硬涂層技術(shù)體系表面下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究與模擬數(shù)據(jù)分析。

基于現(xiàn)有軸承動(dòng)力學(xué)模型，本文建立絕緣軸承模型作為研究對(duì)象，采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行力學(xué)分析，研究模擬基于重力場、徑向載荷和轉(zhuǎn)速條件的絕緣涂層厚度對(duì)于滾動(dòng)軸承系統(tǒng)接觸應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，隨著涂層厚度的增加，絕緣軸承整體Mises 應(yīng)力值隨之增加。

1 軸承有限元模型的建立

對(duì)于絕緣軸承力學(xué)分析的有限元建模，建立滾動(dòng)體-滾道接觸模型是整個(gè)動(dòng)力學(xué)接觸建模的關(guān)鍵。接觸屬于非線性問題，主要體現(xiàn)在接觸局域的大小、接觸物體間的相互位置關(guān)系都是未知的，并且都是變化的。接觸條件的非線性主要內(nèi)容包括在接觸材料表面法向需要滿足兩物體不相互貫穿、侵入或覆蓋的條件，接觸力法向分量只能是壓力，接觸表面切向摩擦力具有非線性屬性。

1.1 建模的基本原理

ABAQUS/Explicit 中的顯式時(shí)間積分采用中心差分法，在前一個(gè)增量步基礎(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

式中：Fi是結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力，F(xiàn)e是所施加的外力[11]。

1.2 軸承各零件尺寸參數(shù)

本文所使用的絕緣軸承的具體參數(shù)見表1，涂覆涂層材料于軸承內(nèi)滾道外圈、外滾道內(nèi)圈的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 涂覆涂層材料的軸承結(jié)構(gòu)模型

表1 滾動(dòng)軸承尺寸參數(shù)

1.3 材料屬性設(shè)置

本文所研究的絕緣軸承的內(nèi)外圈所使用的材料為高碳鉻軸承鋼GCr15。GCr15 軸承鋼具有均勻的組織、良好的耐磨性、較高的接觸疲勞性能和硬度、較低的摩擦因數(shù)，能夠滿足軸承的使用性能要求。涂覆于滾動(dòng)軸承內(nèi)滾道外圈和外滾道內(nèi)圈的絕緣涂層材料為Al2O3。Al2O3熱穩(wěn)定性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較大強(qiáng)度，能在很大壓力梯度下操作，而不會(huì)被壓縮和蠕變，以優(yōu)良的性能被廣泛用作絕緣材料。滾動(dòng)軸承基體及涂層材料具體參數(shù)如表2 所示。

表2 軸承基體及涂層材料

1.4 網(wǎng)格屬性

網(wǎng)格劃分是仿真分析前處理中十分重要的一步，其質(zhì)量和類型直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在劃分網(wǎng)格之前，首先要選擇合適的網(wǎng)格單元類型和合理的網(wǎng)格大小。本文建立的絕緣軸承動(dòng)力學(xué)有限元模型，由于保持架結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，所以采用二次四面體C3D10M網(wǎng)格單元，絕緣軸承剩余各零件采用C3D8R 網(wǎng)格單元。與其他單元相比，C3D8R 單元具有明顯優(yōu)點(diǎn)，在彎曲荷載下不易發(fā)生剪切自鎖，位移計(jì)算結(jié)果比較精確，當(dāng)網(wǎng)格發(fā)生變形時(shí)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性不會(huì)受到很大的影響。

1.5 載荷及邊界條件設(shè)置

絕緣軸承動(dòng)力學(xué)模型主要有三個(gè)分析步：在分析步Step-1 中進(jìn)行重力加載，保證各零件接觸；在分析步Step-2 設(shè)置為向-Y 方向施加20 kN 徑向載荷；在分析步Step-3 設(shè)置為在內(nèi)圈施加2 000 r/min 轉(zhuǎn)速。

在建立的絕緣軸承模型中心處設(shè)置兩個(gè)參考點(diǎn)，分別將絕緣軸承的內(nèi)圈和保持架進(jìn)行耦合。根據(jù)實(shí)際工況，在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)采用軸承外圈固定、軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，所以施加的邊界條件為限制軸承外圈外表面所有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的自由度，軸承內(nèi)圈及保持架限制3，4，5，6 方向的自由度。在分析步Step-3 時(shí)，同時(shí)釋放軸承內(nèi)圈和保持架6 方向的自由度，給軸承內(nèi)圈施加繞軸線方向的轉(zhuǎn)速。設(shè)置滾動(dòng)軸承接觸屬性為通用接觸，法向采用“硬”接觸，切向行為設(shè)置為靜摩擦-動(dòng)摩擦指數(shù)衰減，這里靜摩擦系數(shù)為0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05，衰減系數(shù)為0.01。

2 有限元仿真結(jié)果

在20 kN 徑向載荷和2 000 r/min 轉(zhuǎn)速工況下，不同涂層厚度下絕緣軸承Mises 應(yīng)力圖如圖2～4 所示，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表3 所示。比較不同涂層厚度下絕緣軸承整體最大應(yīng)力值，隨著涂層厚度的增加，絕緣軸承整體的最大應(yīng)力值也隨之增加，在0.075 mm 涂層厚度時(shí)達(dá)到最大值。

圖2 0.025 mm 涂層厚度下絕緣軸承Mises 應(yīng)力圖

圖3 0.05 mm 涂層厚度下絕緣軸承Mises 應(yīng)力圖

圖4 0.075 mm 涂層厚度下絕緣軸承Mises 應(yīng)力圖

表3 不同絕緣涂層厚度最大Mises 應(yīng)力值 MPa

根據(jù)表3 可以看出：0.025 mm 涂層厚度時(shí)，絕緣軸承內(nèi)圈最大應(yīng)力值最小，絕緣軸承內(nèi)圈最大應(yīng)力值隨著涂層厚度的增加，整體呈上升趨勢；0.075 mm 涂層厚度時(shí)，絕緣軸承外圈最大應(yīng)力值最小，絕緣軸承外圈最大應(yīng)力值隨著涂層厚度的增加，整體呈下降趨勢；0.075 mm 涂層厚度時(shí)，絕緣軸承滾子最大應(yīng)力值最大。

3 結(jié)語

（1）本文建立了絕緣軸承動(dòng)力學(xué)模型，開展絕緣涂層厚度對(duì)滾動(dòng)軸承力學(xué)性能影響的研究，獲得了不同絕緣涂層厚度下軸承整體應(yīng)力的變化趨勢。

（2）基于本文模擬的三種涂層厚度的絕緣軸承，在涂層厚度為0.025 mm 時(shí)，絕緣軸承整體Mises 應(yīng)力最??；在涂層厚度為0.075 mm 時(shí)，絕緣軸承整體Mises應(yīng)力最大。隨著涂層厚度的增加，軸承整體Mises 應(yīng)力值隨之增加。

（3）絕緣軸承內(nèi)圈最大應(yīng)力值隨著涂層厚度的增加，整體呈上升趨勢；絕緣軸承外圈最大應(yīng)力值隨著涂層厚度的增加，整體呈下降趨勢；0.075 mm 涂層厚度時(shí)，絕緣軸承滾子應(yīng)力值最大。