基于Solidworks的轧辊轴承座有限元分析

陈 云

(安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽 六安 237011)

轧辊轴承座(以下简称轴承座)是轧机中的重要部件之一，性能的好坏直接影响轧机产品的生产质量。轧机工作时，轴承座不仅支撑着轧辊，而且承受轧辊传递的载荷。国内利用Solidworks软件分析设计轧辊轴承座的研究较少，本文就如何利用Solidworks进行轴承座的设计及结构优化做详细说明。

1 有限元分析模型的建立

以某钢厂1580型热连轧机-上工作辊轴承座设计为例。利用Solidworks软件[1]做出轴承座的三维实体造型图，如图1所示。从图上可以看出轴承座有众多的油孔、螺纹孔、小圆角、起吊孔等，由圣维南定理可知，油孔、小圆角等只影响局部应力而不影响整体应力分布，因此，可以去掉油孔、螺纹孔、起吊孔，把圆角变为直角，得到轴承座的三维简化模型，如图2所示。

图1 轧辊轴承座三维实体造型图

图2 轴承座有限元分析模型

2 利用Solidworks simulation进行有限元分析

2.1 定义材料属性

轴承座常用的材料有铸造碳钢ZG35(ZG270-500)及合金铸钢ZG35CrMo等，试选用ZG35，其材料属性:弹性模量为2×1011N/m2，密度为7850 kg/m2，屈服强度σs=230 MPa，在Solidworks材料编辑器里生成ZG35新材质并添加到轴承座模型中。

2.2 载荷及其作用面的确定

轧机工作时，轴承座主要承受轧辊施加给轴承孔圆柱面下半部分的径向轧制力，由于轧制力远远大于轴承座的重量，所以忽略其重量，经计算确定轴承孔径向载荷为P0=28.5 MPa。

2.3 约束确定

根据轴承座实际的安装方式，即轴承座固定在刚性很高的轧机里，所以轴承座两个侧面施加固定约束[2]。

2.4 计算结果及分析

开启Solidworks simulation插件，将固定约束应用于轴承座的两个侧面，施加压力载荷P0作用于轴承孔圆柱面的下半部分，取适当的网格划分，点击“运行”，simulation自动运算并输出相应的结果，其应力分布图、安全系数分布图、变形分布图(x与y方向)等，如图3，4，5所示。

图3 应力分布图

图4 安全系数分布图

图5 位移分布图

由图3可知最大等效应力出现在轴承孔的底部，其值为456 MPa，大于ZG35的屈服应力，轴承座的强度不满足要求，此外，由图4可知轴承座的最小安全系数为0.5，其值小于1，所以需要重新选择材料进行分析。选屈服强度较大的合金铸钢ZG35CrMo，仍然按上面的设计步骤进行。可得:最大等效应力为458.6 MPa，小于ZG35CrMo的屈服应力(σs≥510 MPa)，最小安全系数为1.11，在x与y方向上的最大位移分别为0.153 mm，0.681 mm，均没超过轴承的间隙，满足最小油膜厚度要求[3]，设计符合要求。

3 优化设计

Solidworks可以对设计方案进行动态修改，利用这一点在不影响轴承座性能的前提下对轴承座结构进行优化。具体改进方案如下:在轴承座座体上半部的左右两边分别开设通道，通道由与轴承座内孔轴线相平行的两个圆孔组成，圆孔之间通过连通槽串联连通，连通槽用密封垫封闭，细节如图6所示。在座体左右两边开2个冷却通道，水或冷却油从圆孔输入后，经过圆孔流经轴承座座体，这样不仅可以对轴承座座体进行冷却，还可以冷却与轴承座配合使用的轴承，从而减少轴承座及轴承的变形。

改进后的轴承座如图7所示，同样运用Solidworks simulation插件对其进行有限元分析，把得到的结果与原轴承座相对比，如表1所示。可以看出:经过改进的轴承座，其最大应力降低了16 MPa，质量减轻了23 kg。

图6 通道密封垫处的局部剖面图

图7 改进后的轴承座三维实体图

表1 改进后的轴承座与原轴承座对比结果

4 结语

运用Solidworks软件对轧辊轴承座进行了有限元分析，分析中发现:选用合金铸钢ZG35CrMo材质能够满足轴承座的强度要求以及保证轴瓦孔变形不超过轴承间隙。考虑轴承座的质量及其冷却效果，对结构进行了改进，改进后的最大应力与质量均降低且具备良好的冷却效果，符合优化设计的要求。

[1]二代龙震工作社.Solidworks 2009高级设计[M].2版.北京:清华大学出版社，2009.

[2]方秀荣，刘军毅.基于ABAQUS的轧辊轴承座应力分析[J].煤矿机械，2009，30(12):79-80.

[3]李泽天，王兴伟，李小飞.基于ANSYS的轴承座有限元分析[J].兵工自动化，2008，27(12):94-96.