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        基于ANSYS的油膜軸承壓蓋外輪廓改進(jìn)分析研究

        2022-06-24 03:10:40
        機(jī)械工程與自動(dòng)化 2022年3期
        關(guān)鍵詞:壓蓋內(nèi)圈圓弧

        申 偉

        (太原重工 油膜軸承分公司,山西 太原 030024)

        1 壓蓋結(jié)構(gòu)輪廓的改進(jìn)

        油膜軸承壓蓋主要承受來自軋機(jī)油膜軸承運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向力,其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,由于其外輪廓中存在大的圓弧過渡結(jié)構(gòu),在實(shí)際加工時(shí)需要采用數(shù)控編程來完成,批量生產(chǎn)時(shí)加工周期較長(zhǎng)。為了提高壓蓋結(jié)構(gòu)的加工效率,將其更改為如圖1(b)所示直線輪廓。本文利用有限元仿真技術(shù)對(duì)兩種壓蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和剛度進(jìn)行對(duì)比分析,確保更改后的結(jié)構(gòu)能滿足使用過程中的強(qiáng)度和剛度要求,從而證明壓蓋結(jié)構(gòu)更改的可行性。圖1中的圓弧外輪廓壓蓋和直線外輪廓壓蓋除了壓蓋外部輪廓改變之外,其余結(jié)構(gòu)尺寸均相同。

        圖1 兩種外輪廓壓蓋的對(duì)比

        2 壓蓋有限元仿真的前處理

        壓蓋在工作過程中承受來自支承輥傳遞過來的軸向載荷作用,其中載荷通過止推軸承的內(nèi)圈傳遞,鎖緊螺母的端面為壓蓋提供了支撐,因此在建模過程中引入了鎖緊螺母和止推軸承內(nèi)圈的幾何模型,考慮到分析模型具有對(duì)稱性,引入原模型的1/2作為有限元分析模擬的對(duì)象。仿真分析中,采用有限元軟件ANSYS對(duì)該模型進(jìn)行分析。

        圖2為圓弧外輪廓壓蓋幾何模型,通過定義壓蓋和止推軸承內(nèi)圈、壓蓋和鎖緊盤螺母之間的接觸關(guān)系來實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。為了提高接觸計(jì)算的精度,接觸算法類型采用了增廣的拉格朗日法[1]。接觸類型為帶有摩擦的接觸,壓蓋和鎖緊螺母、止推軸承內(nèi)圈之間的摩擦因數(shù)定義為0.15。

        圖2 圓弧外輪廓壓蓋幾何模型 圖3 圓弧外輪廓壓蓋有限元模型 圖4 圓弧外輪廓壓蓋有限元模型邊界條件

        為了提高仿真計(jì)算的精度和速度,利用網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格分割,將分析的幾何模型全部離散化為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[2],在對(duì)比不同模型計(jì)算中采用了相同的網(wǎng)格密度。圖3為網(wǎng)格劃分完成的圓弧外輪廓壓蓋有限元模型。圖4為有限元模型的邊界條件設(shè)定,其中鎖緊螺母螺紋處采用固定約束,模型的對(duì)稱面上采用了對(duì)稱約束,載荷施加在止推軸承內(nèi)圈端面上。

        3 壓蓋有限元仿真結(jié)果分析

        圖5為圓弧外輪廓壓蓋的變形云圖,壓蓋的最大變形為0.293 mm。圖6為直線外輪廓壓蓋的變形云圖,壓蓋的最大變形為0.299 mm。通過仿真對(duì)比可知,這兩種結(jié)構(gòu)的壓蓋剛度上相對(duì)比并無顯著性差異。

        圖5 圓弧外輪廓壓蓋的變形云圖 圖6 直線外輪廓壓蓋的變形云圖 圖7 圓弧外輪廓壓蓋的應(yīng)力云圖

        圖7為圓弧外輪廓壓蓋的最大等效應(yīng)力云圖,壓蓋應(yīng)力值最大的位置是和鎖緊螺母接觸的邊界處,最大等效應(yīng)力值為289 MPa。圖8為直線外輪廓壓蓋的最大等效應(yīng)力云圖,壓蓋應(yīng)力值最大的位置同樣為和鎖緊螺母接觸的邊界處,最大等效應(yīng)力值為261 MPa。相比圓弧外輪廓壓蓋,直線外輪廓壓蓋在相同網(wǎng)格密度下等效應(yīng)力值降低,應(yīng)力分布狀況有所改善。

        圖8 直線外輪廓壓蓋的應(yīng)力云圖 圖9 圓弧外輪廓壓蓋端面的接觸應(yīng)力分布 圖10 直線外輪廓壓蓋端面的接觸應(yīng)力分布

        圖9為圓弧外輪廓壓蓋和止推軸承內(nèi)圈接觸處端面的應(yīng)力分布狀況,應(yīng)力值最大為158 MPa。圖10為直線外輪廓壓蓋和止推軸承內(nèi)圈接觸處端面的應(yīng)力分布狀況,應(yīng)力值最大為163 MPa。通過對(duì)比接觸應(yīng)力分布可知,兩種壓蓋結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分布無顯著性差異。

        4 結(jié)論

        (1) 通過以上仿真分析可以得出,采用直線外輪廓的壓蓋替換圓弧外輪廓壓蓋對(duì)剛度和應(yīng)力值變化沒有顯著的影響。因此采用直線輪廓壓蓋不會(huì)存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度降低的現(xiàn)象。

        (2) 采用直線外輪廓壓蓋的最大等效應(yīng)力值低于圓弧外輪廓壓蓋,使應(yīng)力值高區(qū)域的應(yīng)力分布得到改善。

        (3) 通過有限元仿真模擬分析,對(duì)壓蓋外輪廓優(yōu)化提供了理論上的支撐,能夠確保優(yōu)化輪廓后壓蓋結(jié)構(gòu)的可靠性。

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