橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承力學(xué)性能分析《建筑機(jī)械》2010年第九期

侯寧1，許麗華1，汪敏2，戚曉利2，童靳于2，潘天成2，馮建有2

（1.馬鞍山統(tǒng)力回轉(zhuǎn)支承有限公司 安徽 馬鞍山 243022；

2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 安徽 馬鞍山 243022；）

　　摘要：建立了橢圓滾道及圓形滾道回轉(zhuǎn)支承的整體有限元模型，利用ANSYS軟件對(duì)這兩種滾道形狀的回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行了力學(xué)性能的分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在同種工況下橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承的承載能力較圓形滾道回轉(zhuǎn)支承有明顯的提高，提高的幅度在28%左右。

　　關(guān)鍵詞：橢圓滾道；回轉(zhuǎn)支承；力學(xué)性能

　　1 引言

　　回轉(zhuǎn)支承是一切兩部分之間需作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，又需同時(shí)承受軸向載荷、傾覆力矩和徑向載荷的機(jī)械需要的重要傳力元件。隨著主機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，回轉(zhuǎn)支承得到了廣泛的應(yīng)用。如何有效的提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力，成為了各生產(chǎn)廠家關(guān)注的問(wèn)題，也是眾多學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。為了提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力，適應(yīng)市場(chǎng)需求，馬鞍山統(tǒng)力回轉(zhuǎn)支承有限公司成功研制出了橢圓滾道的單排球式回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)品，并于2006年03月30日申請(qǐng)了發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL201020246688.9）。該回轉(zhuǎn)支承主要特點(diǎn)是將單排球式回轉(zhuǎn)支承的滾道型式改為橢圓形，其余參數(shù)與圓形滾道回轉(zhuǎn)支承相同。橢圓滾道的長(zhǎng)半軸、短半軸參數(shù)可以根據(jù)鋼球曲率半徑、滾道與鋼球接觸點(diǎn)的曲率半徑和接觸角計(jì)算出。其簡(jiǎn)圖如圖1所示。

　　在低速重載下工作的回轉(zhuǎn)支承[1]，由于尺寸較大，滾動(dòng)體與內(nèi)、圈的接觸變形加大，滾道體的接觸狀態(tài)復(fù)雜，通過(guò)傳統(tǒng)的赫茲接觸理論計(jì)算很難得到整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。采用有限方法，利用計(jì)算軟件對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析研究是一種較為理想的方法，目前還沒(méi)有研究人員通過(guò)建立回轉(zhuǎn)支承整體的有限元模型進(jìn)行過(guò)研究。因此，本文利用功能強(qiáng)大的ANSYS軟件，對(duì)同種型號(hào)的橢圓滾道和圓形滾道單排球式回轉(zhuǎn)支承分別建立了整體的有限模型，進(jìn)行了力學(xué)性能計(jì)算與分析，為今后回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

圖1 橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承簡(jiǎn)圖

　　2、分析計(jì)算過(guò)程2.1有限元模型的建立利用三維CAD軟件，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸和《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)JB/T2300－1999》分別建立了型號(hào)為010.20.200的橢圓滾道和圓形滾道回轉(zhuǎn)支承的三維實(shí)體模型，以保障模型結(jié)構(gòu)符合真實(shí)的形狀、尺寸及布置，小球個(gè)數(shù)為24個(gè)。在不影響回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)、剛度真實(shí)性的前提下，建立三維實(shí)體模型時(shí)，對(duì)某些部位做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如不考慮密封圈的影響等，模型如圖2所示。將建立好的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS環(huán)境中，選用solid45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為使計(jì)算結(jié)果更加可靠并考慮到計(jì)算規(guī)模對(duì)計(jì)算機(jī)的要求，對(duì)網(wǎng)格做如下處理[2]：將小球分成內(nèi)外兩部分，與滾道接觸的部分采用六面體網(wǎng)格劃分，球體內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)內(nèi)外圈與滾動(dòng)體接觸部位網(wǎng)格劃分進(jìn)行人工干預(yù)，采用手動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化程序處理，保障接觸區(qū)域的網(wǎng)格密度能夠滿足計(jì)算精度的要求，有限元模型如圖3所示。定義彈性模量為Pa，泊松比μ=0.3。

　　運(yùn)用ANSYS的面-面接觸問(wèn)題分析功能，確定為柔體-柔體接觸，以內(nèi)、外圈滾道表面作為目標(biāo)面，滾道體表面作為接觸面。接觸單元類型選為CONTA174，目標(biāo)單元類型選為TARGE170，共建立了48個(gè)接觸對(duì)，這樣可以有效的模擬滾動(dòng)體與內(nèi)、圈的接觸行為。

　　2.2 施加約束及載荷

　　對(duì)應(yīng)回轉(zhuǎn)支承不同的安裝方法，在施加約束時(shí)，可以對(duì)內(nèi)圈內(nèi)表面施加全約束，也可以對(duì)外圈外表面施加全約束，本文中采用第一種約束方法。

　　回轉(zhuǎn)支承在使用過(guò)程中，所承受的作用力包括總軸向力、總傾覆力矩以及在力矩作用平面內(nèi)的總徑向力，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，由于主機(jī)的工作方式及結(jié)構(gòu)形式不同，上述三種載荷的作用組合情況將會(huì)有所變化，但大多數(shù)回轉(zhuǎn)支承在實(shí)際應(yīng)用中總徑向力很小（往往小于0.1 ），所以回轉(zhuǎn)支承主要承受軸向力和傾覆力矩。本文中選取了《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)JB/T2300－1999》中的010.20.200型回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線進(jìn)行了計(jì)算分析，即研究回轉(zhuǎn)支承在最大軸向載荷和最大傾覆力矩作用下的機(jī)械應(yīng)力，故加載時(shí)取和。所施加的約束及載荷如圖4所示。

　　對(duì)于同種型號(hào)的圓形滾道回轉(zhuǎn)支承采用與橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承相同的建模方法，建立其有限元計(jì)算模型，并施加與橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承相同的約束和載荷。

　　3 計(jì)算結(jié)果

　　3.1 軸向載荷計(jì)算結(jié)果

　　由圖5可知，在的軸向載荷作用下，最大Mises應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)圈，對(duì)橢圓滾道而言最大值為917.8Mpa，圓形滾道的最大值為1309Mpa。

　　3.2 傾覆力矩計(jì)算結(jié)果

　　由圖6可知，在的傾覆力矩作用下，最大Mises應(yīng)力也發(fā)生在內(nèi)圈，對(duì)橢圓滾道而言最大值為1062Mpa，圓形滾道的最大值為1387Mpa。

　　3.3 橢圓滾道與圓形滾道計(jì)算結(jié)果對(duì)比

　　從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在同種載荷作用下，橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承的Mises應(yīng)力比圓形滾道回轉(zhuǎn)支承的Mises應(yīng)力要小，且降低的幅度較大，在28%左右。

（a） 橢圓滾道內(nèi)圈Mises應(yīng)力云圖 　　　　　　　　　　（b） 圓形滾道內(nèi)圈Mises應(yīng)力云圖

（c） 橢圓滾道外圈Mises應(yīng)力云圖　　　　　　　　　　　　 （d） 圓形滾道外圈Mises應(yīng)力云

圖5 軸向載荷作用下的Mises應(yīng)力云圖

（a） 橢圓滾道內(nèi)圈Mises應(yīng)力云圖　　　　　　　　　?。╞） 圓形滾道內(nèi)圈Mises應(yīng)力云圖

圖6 傾覆力矩作用下的Mises應(yīng)力云圖

　　4 結(jié)論

　　回轉(zhuǎn)支承的失效形式有兩種[3]，一是滾道損壞，二是斷齒，而滾道損壞占的比例達(dá)98%以上，評(píng)判材料是否產(chǎn)生塑性屈服失效的一個(gè)重要準(zhǔn)則就是Mises屈服準(zhǔn)則。因此本文著重分析計(jì)算了回轉(zhuǎn)支承的應(yīng)力分布，得到了最大Mises應(yīng)力值，由上述計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

　　（1）不同滾道形狀對(duì)回轉(zhuǎn)支承的承載能力影響較大，橢圓滾道的Mises應(yīng)力比圓形滾道的Mises應(yīng)力要小，也就是說(shuō)橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承的承載能力比圓形滾道回轉(zhuǎn)支承的承載能力要高。提高的幅度大約在28%左右。

　?。?）利用三維有限元軟件ANSYS能夠直觀、方便的獲得內(nèi)、外圈等各不同部位的應(yīng)力分布云圖，便于更加充分的了解回轉(zhuǎn)支承整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。為以后進(jìn)一步多方面研究回轉(zhuǎn)支承（尤其是橢圓滾道回轉(zhuǎn)支承）的力學(xué)性能提供了可信的依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]徐立民，陳卓.回轉(zhuǎn)支承[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

　　[2]王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004

　　[3]侯寧.影響回轉(zhuǎn)支承承載能力的四個(gè)參數(shù)[J].建筑機(jī)械，2002（1）：21-22.