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六排滚子转盘轴承的有限元分析

时间:2017-7-1 9:32:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  六排滚子转盘轴承的有限元分析李云峰,姜迪(河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003)强度校核的方法。该方法在建立转盘轴承有限元模型时将滚子滚道的非线性接触等效为非线性弹簧单元,并计算轴承套圈的内部应力分布,根据最大内部结构应力校核轴承的结构强度;采用滚子与滚道之间的接触模型计算滚子与滚道之间的最大接触应力来校核轴承的接触强度。该模型考虑了轴承套圈的结构变形,比传统轴承理论刚性套圈假设的计算结果更能反映实际情况。有限元计算结果与工程实际中该类型转盘轴承的失效情况相符。

  随着风力发电、石油化工、核电工程、船舶制造、矿业冶金以及交通设施等建设步伐的加快,国内对千吨级起重机的需求越来越迫切。近几年,国内相关企业开始开展千吨级全地面起重机的国产化研制工作。转盘轴承是全地面起重机回转机构的关键零部件,其结构形式较为特殊,由于受到径向空间的限制,该转盘轴承采用六排圆柱滚子基金项目:国家自然科学基金项目(51475144);河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A460008)―),男,副教授,主要研究方向为滚动轴承的设计理论、性能分析与应用,E-mail:liyunfeng的结构,以期在有限的径向尺寸范围内通过增加滚子的排数保证所需的承载能力。在起重机工作时,转盘轴承承受径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩的联合作用,受力十分复杂。作为一种高端装备,千吨级全地面起重机对转盘轴承的可靠性要求极高,转盘轴承的运行故障不仅会导致主机停机维修带来重大经济损失,甚至会造成重大安全事故。

  在转盘轴承的设计阶段对其进行充分的强度校核计算是确保其安全使用的重要前提。

  近几年,转盘轴承的力学计算问题引起了国内外的关注。有限元分析是掌握转盘轴承内部受力状况的一种有效方法。转盘轴承通常有较大的尺寸和数百个滚动体,在有限元模型中滚动体与滚道之间接触分析需要大量的非线性接触运算,庞大的计算规模对计算机资源要求很高并给计算的收敛性带来极大的困难针对三排滚子转盘轴承的有限元计算问题,提出了将滚子简化为桁架单元的技术方案,重点研究了修形滚子与滚道接触的进行有限元分析时,将“滚道-滚动体-滚道”之间的作用用超单元来表示,分析了支承结构的变形和柔性不均匀性对滚动体载荷的影响。在建立单排四点接触球转盘轴承的有限元模型时,将滚动体简化为沟曲率中心之间的非线性拉伸弹簧,计算了各滚动体的载荷分布和接触角。

  分析了各滚动体的载荷分布情况。在对双排四点接触球转盘轴承进行有限元分析时,将滚动体简化为压缩弹簧,分析了各滚动体的载荷分布情况。

  现有对转盘轴承有限元分析的研究主要针对滚动体载荷分布的计算,未能提出通过有限元分析来进行转盘轴承强度校核的方法。由于转盘轴承通过套圈上的轴向安装孔实现轴承与主机之间的连接,在受载时套圈滚道面除受滚动体与滚道之间的接触应力外,套圈内部还承受结构应力的作用。因此,在工程实际中转盘轴承的失效除了滚道剥落这种形式外,还有套圈断裂。为确保转盘轴承能够满足主机的使用要求,在完成转盘轴承的设计之后,需要对其进行结构强度和接触强度的校核计算。

  下文提出了一种针对1 200t全地面起重机用六排滚子转盘轴承的有限元模型,其将滚子与滚道的非线性接触等效为非线性弹簧单元,并利用该模型计算轴承的结构强度;再建立滚子与滚道之间的接触模型,利用该模型计算轴承的接触强度。

  1转盘轴承的整体有限元分析六排滚子转盘轴承结构简图如所示。

  1.1套圈的有限元模型在ANSYS软件中,对套圈进行有限元建模的过程如下:在轴承的轴向截面中,套圈的截面是由若干条线段组成的封闭区域,首先在这些线段的端点建立关键点;其次连接已定义的相邻关键点5―上排外圈滚子;6―外圈;7―下排外圈滚子;8―中圈;9一下排内圈滚子六排滚子转盘轴承结构示意图得到套圈轴向截面的轮廓线;然后由已定义的套圈的截面轮廓线生成内圈、外圈和中圈的截面;最后将内圈、外圈和中圈截面分别绕轴承轴线旋转扫掠360°生成内圈、外圈和中圈实体,利用四面体单元SOLID92对内圈、外圈和中圈划分网格。

  1.2滚子的等效有限元模型转盘轴承的内圈和外圈安装在主机机身的安装平台上固定不动,中圈与起重机的吊臂相连进行回转。当中圈受到径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩的联合作用时,相对于内圈和外圈产生位移。

  沿着轴承的圆周方向,两滚道之间的位移趋近量随着每个滚子位置的不同而有所不同。在每个滚子位置,两滚道之间的位移趋近导致滚子与滚道之间产生接触变形,变形量等于两滚道之间的位移趋近量。根据Hertz接触理论,两滚道的总接触变形与法向载荷之间的关系为与两滚道的总接触变形;K为与滚子参数有关的常数;L为滚子的长度。

  六排滚子转盘轴承的上排滚子、下排滚子和径向滚子的参数不同,所对应的Q与5之间的“载荷-位移”关系如所示。

  在对六排滚子转盘轴承进行整体有限元建模时,为避免滚子与滚道之间非线性接触的复杂计算,将滚子与滚道之间的非线性“载荷-位移”关系等效为具有同样“载荷-位移”关系的非线性弹簧单元COMBIN39,该弹簧定义为压缩弹簧,根据分别为上排滚子、下排滚子和径向滚子的COMBIN39单元定义不同的“载荷-位移”关系。沿着转盘轴承整个圆周,在每个滚子与2条滚道的作用位置,在2个滚道面上分别创建1个关键点。将每个关键点相连得到线段以代替1个滚子。利用弹簧单元COMBIN39对代表滚子的线段进行网格划分,得到滚子的等效有限元模型如所示。

  六排滚子转盘轴承滚子的等效有限元模型1.3设置边界条件考虑到转盘轴承的内圈和外圈通过螺栓连接安装在主机的底座上固定不动,转盘轴承的内圈和外圈的下底面与安装平台相接触,对内圈和外圈下底面施加全自由度约束。轴承的中圈与工作部件相连,当工作部件承受载荷时,中圈产生位移,轴承的工作载荷通过工作部件作用到中圈的上端面上。为便于施加径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩,在中圈上端面的中心处建立一个加载辅助节点,并用质量单元MASS21对其划分网格,然后将辅助节点与中圈上端面的所有节点耦合,构成一个刚性区域。最后,在辅助节点上分别施加径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩。

  利用转盘轴承的整体有限元模型,通过计算可得到中圈相对于内圈和外圈的位移、每个滚子的载荷分布和套圈内部的结构应力分布,根据套圈内部的最大结构应力值,可以对轴承的结构强度进行校核。

  2滚子与滚道接触的有限元分析在滚子与滚道的接触部位存在接触应力。通过对受载的滚子与滚道之间的接触应力的分析,可以对转盘轴承滚道的接触强度进行校核。

  2.1建模建立与滚子相接触部位的局部滚道和滚子模型,利用四面体单元SOLID92对该模型划分网格。

  在滚子的接触表面创建接触单元CONTACT174,在滚道的接触表面创建目标单元TARGET170,得到滚子与滚道相作用的有限元模型。

  2.2设置边界条件在轴承受载工作时,内圈和外圈固定不动,中圈产生位移。对中圈滚道局部模型的侧面施加水平面内2个方向的位移自由度约束,对滚子也施加水平面内2个方向的位移自由度约束。滚子的载荷通过中圈滚道局部模型的上端面以面载荷的形式施加。

  3计算分析与讨论某型号1200t全地面起重机用六排滚子转盘轴承的结构主参数见表1.轴承在工作时承受的径向载荷=650kN,轴向载荷心=6680kN,倾覆力矩M=9470kNm.轴承内径d=2050mm,外径D=2976mm,轴承材料的弹性模量E=207GPa,泊松比V=0.3.表1六排滚子转盘轴承的结构主参数滚子组节圆直径/mm滚子直径滚子长度滚子数量上排内圈滚子外圈滚子下排内圈滚子外圈滚子径向内圈滚子外圈滚子针对该转盘轴承的工况条件,首先建立轴承的整体有限元模型,在模型中将滚子简化为弹簧单元COMBIN39,如所示。通过对整体有限元模型的求解计算得到每个滚子所承受的载荷,结果如~所示。2种方法所得到的计算结果相近,但存在差别。采用有限元方法得到的曲线局部波动归因于该方法将轴承套圈离散为有限个单元,当求解计算满足收敛所设定的阈值时计算结束,曲线上各点的数值为计算结束时所调整到的值;采用传统轴承理论得到的结果为光滑的曲线,这归因于该方法将轴承的套圈看作纯粹的刚性体,而有限元方法将套圈看作是弹性体,在轴承受外部载荷作用时套圈发生径向平面内的结构变形,这也是模拟计算结果曲线与数值计算方法得到的曲线有所不同的原因。有限元方法得到的结果更符合轴承的实际受力状况,计算所得到的滚子载荷为滚子与滚道之间的接触应力计算提供了条件。

  六排滚子转盘轴承的整体有限元模型上排滚子的载荷分布滚子方位角/(°)(a)内滚子滚子方位角/n(b)外圈滚子下排滚子的载荷分布通过对转盘轴承的整体有限元建模与分析,除可以计算出所有滚子的载荷外,还可以计算出套圈内部的应力分布。受载最大的上排滚子位置处套圈轴向截面的应力分布如a所示,由图可知,内圈和外圈的悬伸滚道在上排滚子轴向载荷的作用下,与上排滚子相作用的下滚道与挡边的交界处存在应力集中,该处的最大应力值为径向滚子的载荷分布131.7MPa,该应力为转盘轴承内圈和外圈内部的最大应力。受载最大的下排滚子位置处套圈轴向截面的应力分布如b所示,由图可知,内圈和外圈的悬伸滚道在上排滚子轴向载荷的作用下,与上排滚子相作用的下滚道与挡边的交界处存在应力集中,该处的最大应力值为66.6MPa.(b)下排人浪丫-钱荷处受载最大的滚子位置处套圈轴向截面应力分布得到套圈内部的最大应力后,利用套圈材料的抗拉强度计算出轴承结构强度的安全系数(b)外圈滚子(a>内圈滚广内部的最大拉应力。转盘轴承套圈的材料采用42CrM,其抗拉强度为基于受载最大的滚子与滚道相作用的有限元模型,对上排滚子、下排滚子和径向滚子分别进行计算,得到的滚子与滚道接触应力分布结果如~1所示。由图可知,上排滚子、下排滚子、径向滚子与滚道之间的最大接触应力分别为2上排滚子的接触应力分布(b)夕子0下排滚子的接触应力分布得到滚子与滚道之间的最大接触应力后,利用滚子与滚道接触的许用接触应力计算出轴承接触强度的安全系数心max为滚子与滚道接触的最大接触应力。42CrM钢制转盘轴承的滚子与滚道之间的许用接触应力利用上述方法计算出转盘轴承的安全系数见表2,由表可知,轴承强度的最薄弱环节位于受载最大的上排滚子与滚道之间接触带的两端,此处的安全系数为2.4,即转盘轴承的安全系数最小值。

  表2转盘轴承的校核计算结果最大接触应力/MPa安全系数结构内圈外圈强度中圈上排内圈滚子外圈滚子接触下排强度内圈滚子外圈滚子径向内圈滚子外圈滚子4结论利用有限元分析方法对千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承进行了强度校核计算,得到如下结论:混合有限元模型考虑了套圈的结构变形,比传统轴承理论刚性套圈假设的计算结果更能反映实际情况。

  内圈和外圈悬伸滚道在上排滚子轴向载荷的作用下,与上排滚子相作用的下滚道与挡边的交界处存在应力集中,该部位与工程实际中套圈断裂失效的部位相符。

  滚子与滚道之间存在线接触,在滚子的两端部位应力远大于滚子中间部位,将造成滚道上与滚子两端对应环带的失效,这与工程实际中滚道疲劳失效的部位相符。

  所提出的方法避免了转盘轴承实体有限元模型的庞大计算规模及其所带来的求解收敛困难的问题,提高了计算效率,解决了转盘轴承的结构强度和接触强度的校核问题。