旋耕机双列深沟球轴承接触特性研究

孙海波，田素博

(1.常州工程职业技术学院，江苏 常州　213164；2.沈阳农业大学，沈阳　110866)



旋耕机双列深沟球轴承接触特性研究

孙海波1，田素博2

(1.常州工程职业技术学院，江苏 常州213164；2.沈阳农业大学，沈阳110866)

摘要：轴承是旋耕机传动系统中的重要部件，其接触特性对于旋耕机轴承的承载能力、传动精度、可靠性等具有显著影响。为此，基于ANSYS/LS-DYNA显示动力学分析方法对SKF-4201ATN9型旋耕机双列深沟球轴承的应力、位移、速度等接触特性进行分析，并研究不同转速及载荷对轴承接触性能的影响规律。研究结果表明：滚动体速度、应力呈波峰波谷形式变化，最大应力出现在滚动体与内、外圈接触时；随着单元与内、外圈接触点之间的距离增大，应力大小显著减小；内圈转速对轴承位移、速度、应力变化频率影响明显，对应力值影响轻微；随着径向载荷增大，滚动体应力增大，仿真分析结果与理论结果基本吻合，为后续旋耕机双列深沟球轴承接触及动态特性分析提供了一定的参考。

关键词：旋耕机；双列深沟球轴承；接触特性；ANSYS/LS-DYNA

0引言

科技的不断进步及机械工业的迅猛发展极大地推进了农业机械化发展[1-2]。旋耕机是农田耕作的重要机械，双列深沟球轴承是旋耕机传动系统中重要部件，它们一直都是旋耕机研究的主要对象[3-4]。双列深沟球轴承作为最早专业化大规模生产的机械传动基础零件之一，是轴等旋转机构的主要支撑，应用领域十分广泛，如基础制造业、汽车、农业机械等众多领域。双列深沟球轴承主要由内圈、外圈、滚动体及保持架等组成，滚动体的接触特性对于轴承的整体性能具有显著影响。因此，国内外学者对滚动轴承中滚动体的接触特性进行了大量研究[5-6]，其中对单列深沟球进行了仿真分析的较多，揭示了普通单列深沟球轴承的接触特性。双列深沟球轴承具有承载能力强、传动精度高、可承受轴向载荷等优点，被广泛应用于各行各业的机械中[7-8]。本文以某旋耕机用双列深沟球轴承为研究对象，运用的ANSYS/LS-DYNA软件对轴承的位移、速度、应力等接触特性进行仿真分析，并研究轴承转速及径向载荷对轴承的影响，为旋耕机双列深沟球轴承的进一步研究提供一定理论依据。

1结构及接触仿真模型建立

1.1结构及几何模型建立

旋耕机处于工作工况时，由发动机产生的动力经过传动系统传递从而驱动旋耕刀进行前进和旋转运动。双列深沟球轴承作为旋耕机传动系统中的重要部件，由内圈、外圈、两排滚动体及两排保持架组成，如图1所示。

图1　旋耕机双列深沟球轴承结构

为清晰显示轴承内部结构，截取1/4模型并去掉保持架结构，基于ANSYS建立三维模型如图2所示。

本文选取某旋耕机用的SKF-4201ATN9型双列深沟球轴承作为研究对象，其基本参数如表1所示。

1.2材料参数

在轴承的组成结构中，滚动体的失效是造成轴承破坏的主要原因，因此分析滚动体的接触特性尤为重要。在定义轴承材料参数时，定义滚动体为各向同性的线弹性材料模型，选用GCr15轴承钢。为使双列深沟球轴承能在较高温度下运行，故保持架材料选用尼龙材料。采用ANSYS/LS-DYNA进行接触分析时，刚性体内所有节点的自由度都会耦合到刚体质量中心，从而大幅度缩短计算时间。因而，定义轴承内、外圈为刚体材料模型，具体参数选取如表2所示。

图2　轴承几何模型

结构参数符号参数值轴承宽度B14mm球直径D5mm轴承内径Dn12mm轴承外径Dw32mm接触角α0°轴承平均直径dm22mm球数目δ16

表2　材料参数

1.3网格划分

三维实体结构选用SOLID164单元，具有非线性、支持所有分析算法等特点，但SOLID164单元只具有移动自由度，为实现轴承的旋转自由度，还需选取薄壳单元SHELL163。

有限元网格质量的好坏对于求解结果具有显著影响，为提高求解精度并尽可能缩短计算时间，滚动体采用六面体SOLID164单元、映射网格方法进行网格划分，并进行网格细化，内外圈采用SOLID164单元、扫掠网格方法划分，保持架采用SOLID164单元、自由网格方法划分，并将轴承内圈内表面采用SHELL163单元、映射网格方法划分以实现转速的施加。为控制接触分析时引起的沙漏现象导致计算结果失效，SOLID164、SHELL163单元采用全积分算法，但计算时间会增加数倍。模型的有限元网格划分共包含45 999个单元、47 837个节点，如图3所示。为清晰显示网格划分情况，隐去1/4的外圈网格。

图3　有限元网格模型

1.4约束条件

双列深沟球轴承的滚动体与内圈、外圈、保持架之间存在6组接触对，接触界面选取面面接触类型(Surface to Surf)中的自动接触(ASTS)。取滚动体与内圈、外圈、保持架接触界面静摩擦因数分别为0.1、0.1、0.1，动摩擦因数分别为0.002、0.002、0.002，由轴承工作状态确定约束条件如表3所示。

表3　轴承元件的约束情况

1.5载荷施加

为分析不同径向载荷及轴承转速对双列深沟球轴承的影响规律，施加载荷值如表4所示。其中，1组与2组、2组与3组分别分析不同转速、径向载荷的影响规律。由于同时施加转速和载荷会使轴承计算过程初始阶段不稳定，为模拟轴承正常工作时的状态，对轴承内圈先施加内圈转速，0.002s转速引起的动态响应稳定后时再施加径向载荷。

表4　载荷施加情况

2动态接触有限元仿真结果

基于ANSYS/LS-DYNA对第1组载荷值作用下的轴承接触状态进行有限元分析，得到其工作过程中0.03s时刻的应力云图，如图4所示。为分析滚动体上不同位置的应力、位移、速度变化规律，选取滚动体上与内外圈具有不同距离的单元H15789、H15632、H14269作为研究对象，如图5所示。仿真分析得到其应力、位移、速度随时间的变化规律，如图6所示。选取两列滚动体相同位置处的单元为研究对象，研究第1、2列滚动体的应力变化规律如图7所示。

图4　滚动体应力图

图5　研究单元

图6　接触特性响应

图7　两列滚动体应力图

由图4可知：在轴承运转过程中，滚动体上应力、应变不断变化，最大值出现在滚动体与内、外圈接触时，而与保持架的接触应力值较小。

由图6(a)可知：滚动体的应力以峰值、波谷形式交替出现，第1，2…，n个峰值依次代表滚动体与外圈、内圈的交替接触。比较不同单元的应力变化曲线A、B、C可知：随着单元与内、外圈接触点之间的距离增大，应力变化趋势不变，但应力大小显著减小。这是由于单元H15632与单元H14268不是位于滚动体与内外圈接触线上的点。

由图6(b)可知：滚动体在旋转过程中存在公转与自转，随着单元与内、外圈接触点之间的距离增大，滚动体公转位移不变，自转位移减小。

由图6(c)可知：滚动体速度整体呈波峰波谷交替变化的形式，每完成一次波峰与波谷的交替表示滚动体完成一次自转运动；在未施加径向载荷前，滚动体速度变化稳定，当受到径向载荷作用后，速度波动较大，且随着单元与内、外圈接触点之间的距离增大，滚动体速度减小。

由图7可知：两列滚动体所受应力变化曲线基本相同，即双列深沟球轴承的两列滚动体同时均匀参与承载传动，且不同时刻最大应力值不同。这是由于受到滚动体残余应力的影响。

2.1 转速影响规律分析

为分析不同转速对轴承接触特性的影响规律，分析轴承在第1、2组载荷作用下滚动体的应力、位移、速度曲线，如图8所示。

图8　不同转速接触特性响应

由图8(a)可知：随着内圈转速增大，滚动体与内、外圈接触时的应力大小基本保持不变，但接触频率显著增大。

由图8(b)、 (c)可知：内圈转速对轴承滚动体位移、速度具有显著影响，随着内圈转速增大，滚动体公转、自转速度显著增大。

若假设滚动体为无滑动的纯滚动运动，根据文献[9]给出的轴承运动关系，滚动体与内圈接触点的线速度vi及滚动体自转速度ni分别为

(1)

(2)

其中：κ=Dcosα/dm，n为内圈转速。

将有限元仿真结果与上述理论计算结果进行比较，分别如表5、表6所示。两者基本吻合，表明仿真结果具有有效性。

表5　内圈接触点线速度比较

表6　自转速度比较

2.2径向载荷影响规律分析

为分析不同径向载荷对轴承接触特性的影响规律，分析轴承在第2、3组载荷作用下滚动体的应力曲线，如图9所示。

图9　不同载荷应力变化曲线

由图9可知：径向载荷对于滚动体应力大小具有显著影响，随着径向载荷增大，滚动体所受应力增大。

按照赫兹接触理论，滚动轴承接触应力的计算公式可简化为[10]

(3)

(4)

(5)

其中：F为轴承的总载荷；系数γ1、γ2由文献[10]查得；a、b为接触椭圆长、短半轴；ξ为曲率半径；σ为接触应力。

将接触应力有限元仿真结果与上述接触应力理论计算结果进行比较，如表7所示。两者基本吻合，表明了仿真结果的有效性。

表7　接触应力比较

3结论

1)旋耕机双列深沟球轴承中两列滚动体接触特性基本相同，滚动体应力最大值出现在滚动体与内、外圈接触时，与保持架接触应力较小，由于残余应力影响，接触应力大小不同。

2)滚动体速度呈波峰波谷交替变化的形式，与内圈接触时速度最大，与外圈接触时速度最小，与实际情况吻合良好。

3)内圈转速对轴承位移、速度、应力变化频率影响明显，对应力值影响轻微，随着径向载荷增大，滚动体应力增大。

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Contact Characteristics Research on Double Row Deep Groove Ball Bearing of Rotary Cultivator

Sun Haibo1, Tian Subo2

(1.Changzhou Institute of Engineering Technology, Changzhou 213164, China; 2. Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China )

Abstract：Bearing is an important part in rotary cultivator transmission system, the contact characteristics have significant influence on the capacity, transmission precision, reliability of rotary cultivator bearing, therefore, the contact features of stress, displacement and velocity of the SKF-4201ATN9 type double row deep groove ball bearing of rotary cultivator were analyzed based on ANSYS/LS-DYNA display dynamic analysis method, the effects of velocity and load on the performance of the bearing contact were also studied. The results show that the velocity and stress of rolling changed in the peaks, and the maximum stress appears in contact with the inner and outer ring; with the contact distance between the inner and outer increase, the stress significantly decreased; the inner ring speed has great effects on bearing displacement, velocity, stress change frequency, but minor effects on stress value; with the radial load increase, the stress of rolling body increases; the simulation results and theoretical results are basically consistent that provide some reference for the contact and dynamic characteristics analysis of double row deep groove ball bearing for rotary cultivator.

Key words：rotary cultivator; double row deep groove ball bearing; contact characteristics; ANSYS/LS-DYNA

文章编号：1003-188X(2016)06-0110-06

中图分类号：S222.3；S220.3

文献标识码：A

作者简介：孙海波(1973-),男，吉林德惠人，副教授，(E-mail) sunhaibo197310@163.com。

基金项目：江苏省教育科学“十二五”规划项目(D/2013/03/110)

收稿日期：2015-05-21