基于Workbench下深沟球轴承内圈模态分析

牛涛

摘 要：针对深沟球轴承内圈在工作过程中出现共振的问题，利用有限元软件Wokbench对其进行模态分析，得到固有频率和振型，从而避开共振区域，减少内圈失效率，提高轴承内权的使用寿命。

关键词：内圈;模态分析;轴承

引言

目前随着我国现代化工业的发展，大量的机械设备投入使用，深沟球轴承作为目前工业设备中的重要的转动零件之一，其结构简单由一个外圈，一个内圈、一组钢球和一组保持架组成。滚动轴承广泛应用于汽车、风电、机床设备及国防事业中，是起着支撑其它零部件和保证传动精度作用的核心元件，同时也是旋转设备中最易损坏的零部件之一。在外部环境干扰下引起振动从而导致滚动轴承内圈微小的断裂现象，经过长期的工作等到轴承故障不断的严重化，导致整个设备无法正常运转而降低了工作效率甚至会引发较大的安全事故，造成巨大的的经济损失和人员伤亡。若对其进行有限元模态分析得到内圈固有频率，再对其进行故障诊断得到内圈失效频率，进行优化。从而提高振动对滚动轴承内圈的影响能够，使内圈性能提高，进而改善滚动轴承整体性能。

本文以6210深沟球的内圈研究对象，首先利用三维建模软件UG建立几何模型，其次利用有限元软件Workbench建立深沟球振动模型，进行模态分析，得到固有频率。其如图1所示深沟球轴承。

1.深沟球的模态分析

在实际工作中深沟球的运动是通过内圈与传动轴之间的过盈配合来传递的，即通过内圈内表面与传动构件表外面的接触来传递扭矩。内圈与滚动体、滚动体与外圈存在非线性接触，为了避免接触带来的求解误差，单独对深沟球内圈进行模态分析。本文选取应力分布更均衡的6210深沟球导入WorkBench进行模态分析，并且选运用Workbench软件模态分析中的子空间迭代法，进行固有频率与振型的有限元求解。

1.1建立三维模型

深沟球内圈模型相对简单，根据表1中6210深沟球数据采用三维软件UG对内圈进行几何模型建立。考虑到一些工艺角不会影响深沟球模态分析的结果，为了方便求解和网格的划分不会对工艺角进行几何建模，如图2所示内圈三维模型。

1.2网格的处理

目前国内外主流有限元网格模型分六面体和四面体网格，其中六面体网格求解精度高但是对于复杂的模型不利于划分或者划分网格周期长，而四面体网格划分时间短但求解精度低。考虑到深沟球内圈结构简单且工艺角并没有三维建模、所以对模型进行六面体网格划分，得到5400个单元，内轴被划分为个25815节点，5268个单元，这样基本满足计算需要。如图所示为深沟球内圈网格模型。

1.2材料设置与约束条件

材料设置：目前深沟球内圈的材料选择GCr15，弹性模量为2.1×1011Pa，密度为7.80×103kg/m3，泊松比为0.3。

约束条件：根据深沟球的工作原理可知，深沟球是通过内圈与传动轴之间的过盈配合来传递的，即通过内圈内表面与传动构件表外面的接触来传递扭矩，既内圈保证其轴向转动。依据实际情况在有限元软件Workbench中约束内圈内表面（A面）与外表面（B面）的X，Y方向转动和移动，约束Z方向的移动，施放Z方向的转动。如图3所示约束模型：

1.3模态结果

完成几何模型的建立，模型网格的划分、材料的附属、约束的设置之后，对内圈进行求解。  在Workbench有限元软件中，求解方法归结为六种，分别是：Block Lanczos、PCG Lanczons、Supernode、Unsymmetric、Damped和QR damped。通常選择求解精度高且速度快求解器方式进行求解，既Block Lanczos求解方法，得到数据如图4所示：

2 结论

使用UG软件对6210深沟球轴承内圈进行建模，并导入到Workbench软件中进行模态分析，得到固有频率随着模态阶数增加而增加，由于1阶固有频率1.84e-003Hz，2阶及其之后的固有频率1602.4Hz，在轴承内圈工作过程中不易发生共振。利用模态分析避开固有频率，但在轴承工作过程中出现的内圈失效频率为接下来研究目标。

参考文献：

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