基于COBRA的角接触球轴承仿真分析

董金龙，张静静，倪真真

基于COBRA的角接触球轴承仿真分析

董金龙1，张静静1，倪真真2

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江哈尔滨150025；2. 中航工业哈尔滨轴承有限公司 工程技术部，黑龙江 哈尔滨 150025）

借助COBRA软件对某角接触球轴承的游隙和结构参数进行了仿真分析，大大减少轴承的接触应力和滚道磨损发热量，缩短了设计周期，提高了生产效率。

COBRA分析软件；角接触球轴承；接触应力；游隙

1 前言

COBRA软件是基于非线性拟动力学理论编制的一款滚动轴承分析软件，能够对轴承的接触应力、油膜厚度、工作游隙等进行分析，并能够自动建立轴承ANSYS温度模型，利用ANSYS FEA模型的反复计算迭代,分析出相应的温度场和应力分布图。疲劳寿命计算采用了最先进的基于应力的寿命模型，寿命系数的确定采用1992STLE理论，使轴承的计算寿命更加准确。为轴承优化设计提供了理论依据，缩短了轴承产品研发周期。

滚动轴承广泛应用于各种机械装备中。随着工业的迅速发展，特别是某些特种新型装备向着更高速度、更高温度、更长寿命的方向发展，为了更好预测轴承的动态特性，需要借助COBRA进行仿真分析，通过分析对轴承设计进行改进，可以大大缩短设计周期，提高生产效率。

2 分析软件简介

图1 COBRA软件启动界面

COBRA软件由J.V Poplawski、S .M Peter和R.G.FLOWES研发，本程序可以对高速轴承或转子系统建立具有5个自由度的计算模型，分析中可以考虑轴承装配、滚子的圆度误差、局部倾斜引起的轴系变形、润滑和STLE寿命系数等因素[1-2]，适用于深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等轴承的分析，分析的结果包括接触应力、寿命、保持架所受的冲击载荷、油膜厚度等，还可以分析循环工况以及轴承对转子系统或轴承箱产生的变形、应力等影响[3]。COBRA软件可以自动建立轴承的ANSYS温度模型，利用ANSYS FEA模型的反复计算迭代，分析出相应的温度场和应力分布图。

COBRA采用右旋正交坐标系。该坐标系显示把Z轴作为轴的旋转轴，并定义从左向右为正方向。X轴的正方向向上，Y轴的正方向是垂直纸面向外（朝向视者）。采用轴向位移量对角接触球轴承和圆锥滚子轴承施加预载荷。从左向右建立轴系，用第一个轴段的左端点为坐标系的原点，所有的接触角以原点的顺时针为正。

3 算例分析

下面以某角接触球轴承为例进行分析。

该轴承在150℃的工况下，轴承游隙为0.14mm，内圈转速11 156r/min，外圈反向转速13 218r/min，轴向载荷为13 000N，径向载荷为15 000N，计算保持架的载荷，内、外滚道的接触应力，钢球载荷，滑滚比及轴承寿命。

轴承内圈、外圈材料为8Cr4Mo4V，轴承主要结构参数见表 1。

表1 角接触球轴承主要参数

根据以上参数数据，通过COBRA进行仿真分析得轴承寿命，并绘制出保持架的载荷分布，内、外滚道的接触应力分布，钢球载荷分布以及滑滚比，如图 2～5所示。

轴承内、外圈接触应力分布如图 2所示，图2中横坐标为轴承钢球位置角，纵坐标为内、外滚道接触应力。

图2 内、外圈接触应力分布

轴承保持架的载荷分布如图 3所示，图 3中横坐标为轴承钢球位置角，纵坐标为保持架冲击载荷。

图3 保持架载荷分布

轴承钢球载荷分布如图 4所示，图 4中横坐标为轴承钢球位置角，纵坐标为钢球载荷。

图4 钢球载荷分布

轴承钢球的滑滚比如图 5所示，图 5中横坐标为轴承钢球位置角，纵坐标为轴承的滑滚比。

图5 轴承钢球的滑滚比分布

通过以上分析可知，轴承接触应力将近为2 400MPa，滑滚比高达2.5，很可能发生套圈工作表面快速剥落及滚道表面烧伤等危险。

为了避免上述情况发生，通过COBRA进行轴承结构优化分析，得到优化后的轴承内、外圈接触应力、钢球载荷分布及滑滚比分布如图6～8所示。

图6 轴承优化后的内、外圈接触应力

图7 轴承优化后的钢球载荷分布

图8 轴承优化后滑滚比分布

由以上优化分析图和COBRA计算结果可知：轴承寿命最长时，设计游隙为0.05mm，接触应力为1859.3MPa，轴承滑滚比为1，寿命为3085.4h，满足了客户的设计要求。

4 结束语

（1） 通过COBRA高级高速优化分析软件可以对轴承结构进行优化分析，并得到良好的轴承力学性能，成功地解决了由于轴承前期设计参数不合理导致应力过大，磨损过热以及寿命短等问题，满足了主机客户对寿命的要求。

（2）采用拟动力学仿真软件COBRA对角接触球轴承进行仿真，可以直观地了解钢球与内、外圈、保持架之间的作用载荷；通过研究角接触球轴承的应力分布，准确模拟了轴承的动态特性，为轴承设计提供了理论依据，缩短了产品研发周期，提高了生产效率。

[1] 王黎钦.滚动轴承极限设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2013.

[2] 杨沛然.流体润滑数值分析[M].北京：国防工业出版社.1998.

[3] 彭 波，王黎钦，崔 立，等.角接触球轴承分析模型的数值求解[J].南京航空航天大学学报，2009，41 (3)：370-374.

（编辑：钟 媛）

Simulation analysis of angular contact ball bearing based on COBRA

Dong Jinlong1, Zhang Jingjing1, Ni Zhenzhen2
(1.Bearing R＆D Center, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025, China; 2.Engineering Technology Department, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025,China)

With the help of COBRA software, simulation analysis of clearance and structure parameters of a certain angular contact ball bearing was made.Contact stress of the bearing and wear heat of raceway were both reduced greatly, so that the design cycle was shortened with high effciency.

COBRA analysis software; angular contact ball bearing; contact stress; clearance

TH133.33+1

B

1672-4852（2015）01-0044-03

2014-10-15.

董金龙（1988-），男，助理工程师.