转盘轴承螺栓安装孔有限元分析*

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(1.辽宁机电职业技术学院 自动控制工程系，辽宁 丹东 118009；2.瓦房店轴承集团有限责任公司，辽宁 大连 116300)

0 引言

转盘轴承是一种大型滚动轴承，与普通轴承相比，具有尺寸大、承受着多方向的力与倾覆力矩作用等特点。本文所设计的轴承，应用在海上石油机械上，处于海下环境,对轴承的安全性和尺寸精度有很高的要求。传统的转盘轴承设计一般采用经验法，本文所设计的三排圆柱滚子式转盘轴承，采用经验法与有限元分析法相结合。在利用经验法设计出转盘轴承基本结构、保证安全性的基础上，用有限元方法对转盘轴承的螺栓安装孔进行静力分析，验证设计的合理性。两种方法的结合可以提高转盘轴承的设计效率和降低轴承的设计与制造成本，使轴承在满足承载能力的要求下，还符合绿色化的要求，同时，也为其它轴承的设计和改进提供了参考依据。

1 轴承设计

图1 轴承结构

根据客户提供的载荷、使用场合及与轴承的连接结构，采用三排圆柱滚子式转盘轴承。该类轴承主要应用于负荷较大的场合中，其中，两个方向的轴向力以及倾覆力矩主要由上下两排水平滚子承受，径向力则由垂直布置的第三排滚子承受。因此类轴承滚道接触形式为线接触，接触应力很低，变形量(包括端面变形量)很小，故承载能力很高。轴承内外圈材料采用42CrMo[4]，调质处理，硬度：240-290 HB，滚子采用GCr15SiMn,铸铝隔离环，滚道表面进行表面淬火，硬度53-60 HRC，有效硬化层深度，轴向不低于5 mm，径向不低于3 mm。轴承内部填充润滑脂。为了防止轴承内部润滑脂泄露，及外部海水和其他杂质的进入，两个外圈连接处采用两个O型圈密封。内外圈采用单独设计的密封圈进行密封，此密封圈带有复唇，可提高密封效果[5]。轴承设计结构如图1所示。

2 轴承分析模型

图2 轴承网格模型

使用分析软件ANSYS12.0对转盘轴承进行静力分析。首先要建立轴承的有限元分析模型，获得分析模型的方法主要有3种途径：实体建模、直接建模和利用软件提供的数据接口从其他CAD系统中导入实体模型。本文采用Pro/e软件进行建模，之后利用数据接口将模型导入到ANSYS软件中。在建模的过程中，将不影响分析结果的倒角、倒圆等忽略。选择Solid92单元进行有限元网格划分，此单元为三维实体10节点四面体单元，是带有中节点的二次单元。

轴承的材料为42CrMo，在材料属性中输入材料的弹性模量为“2.12e11”、泊松比为“0.28”，采用自由网格划分，得到轴承的有限元网格模型如图2所示。

3 轴承模型加载

转盘轴承在运转过程中，受到轴向力、径向力以及倾覆力矩作用，力及力矩通过螺栓施加到螺栓孔壁上，由于转盘轴承的受力分析比较复杂，通过合理的简化，我们采取极限应力进行分析，分析针对内圈螺栓孔壁。

为了分析螺栓孔内壁的厚度是否满足要求，根据模拟的实际情况，将内圈径向滚子的接触面进行全约束。

根据客户提供的载荷，将最具有破坏力情况的载荷进行等效加载，此时力的大小为：495 kN。

图3 轴承约束与加载图

为了模拟实际的情况，将等效的压强加载到一个安装孔的半侧面上。将力等效为压强，可以得到：P=131.2 MPa。将等效的压强加载到模型中，得到约束和加载图如图3所示。

4 计算分析

从计算结果中提取模型的节点应力云图如图4所示,单元应力云图如图5所示。

图4 轴承节点应力图

图5 轴承单元应力图

从分析结果中看出，轴承最大节点等效应力为：236.723 MPa，最大单元等效应力为：264.385 MPa，而42CrMo的许用应力310 MPa。所以螺栓孔壁厚满足要求，并且具有一定的优化空间。

5 结论

本文通过轴承的设计与分析得到如下结论：

1)根据轴承的使用场合、载荷大小等要求，设计了三排圆柱滚子式转盘轴承。

2)利用有限元分析软件ANSYS对转盘轴承的螺栓安装孔进行了静力学分析。通过分析，得到了最大应力的部位和数值。

3)通过ANSYS验证了经验法设计轴承的合理性。

4)分析结果，为轴承设计以及与其相邻装配零部件的进一步优化设计提供了科学的参考依据。

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