基于ANSYS的油膜轴承压盖外轮廓改进分析研究

申 伟

(太原重工 油膜轴承分公司，山西 太原 030024)

1 压盖结构轮廓的改进

油膜轴承压盖主要承受来自轧机油膜轴承运行时产生的轴向力，其结构如图1(a)所示，由于其外轮廓中存在大的圆弧过渡结构，在实际加工时需要采用数控编程来完成，批量生产时加工周期较长。为了提高压盖结构的加工效率，将其更改为如图1(b)所示直线轮廓。本文利用有限元仿真技术对两种压盖结构的应力分布和刚度进行对比分析，确保更改后的结构能满足使用过程中的强度和刚度要求，从而证明压盖结构更改的可行性。图1中的圆弧外轮廓压盖和直线外轮廓压盖除了压盖外部轮廓改变之外，其余结构尺寸均相同。

图1 两种外轮廓压盖的对比

2 压盖有限元仿真的前处理

压盖在工作过程中承受来自支承辊传递过来的轴向载荷作用，其中载荷通过止推轴承的内圈传递，锁紧螺母的端面为压盖提供了支撑，因此在建模过程中引入了锁紧螺母和止推轴承内圈的几何模型，考虑到分析模型具有对称性，引入原模型的1/2作为有限元分析模拟的对象。仿真分析中，采用有限元软件ANSYS对该模型进行分析。

图2为圆弧外轮廓压盖几何模型，通过定义压盖和止推轴承内圈、压盖和锁紧盘螺母之间的接触关系来实现载荷的传递。为了提高接触计算的精度，接触算法类型采用了增广的拉格朗日法[1]。接触类型为带有摩擦的接触，压盖和锁紧螺母、止推轴承内圈之间的摩擦因数定义为0.15。

图2 圆弧外轮廓压盖几何模型 图3 圆弧外轮廓压盖有限元模型 图4 圆弧外轮廓压盖有限元模型边界条件

为了提高仿真计算的精度和速度，利用网格划分技术对几何模型进行网格分割，将分析的几何模型全部离散化为结构化网格[2]，在对比不同模型计算中采用了相同的网格密度。图3为网格划分完成的圆弧外轮廓压盖有限元模型。图4为有限元模型的边界条件设定，其中锁紧螺母螺纹处采用固定约束，模型的对称面上采用了对称约束，载荷施加在止推轴承内圈端面上。

3 压盖有限元仿真结果分析

图5为圆弧外轮廓压盖的变形云图，压盖的最大变形为0.293 mm。图6为直线外轮廓压盖的变形云图，压盖的最大变形为0.299 mm。通过仿真对比可知，这两种结构的压盖刚度上相对比并无显著性差异。

图5 圆弧外轮廓压盖的变形云图 图6 直线外轮廓压盖的变形云图 图7 圆弧外轮廓压盖的应力云图

图7为圆弧外轮廓压盖的最大等效应力云图，压盖应力值最大的位置是和锁紧螺母接触的边界处，最大等效应力值为289 MPa。图8为直线外轮廓压盖的最大等效应力云图，压盖应力值最大的位置同样为和锁紧螺母接触的边界处，最大等效应力值为261 MPa。相比圆弧外轮廓压盖，直线外轮廓压盖在相同网格密度下等效应力值降低，应力分布状况有所改善。

图8 直线外轮廓压盖的应力云图 图9 圆弧外轮廓压盖端面的接触应力分布 图10 直线外轮廓压盖端面的接触应力分布

图9为圆弧外轮廓压盖和止推轴承内圈接触处端面的应力分布状况，应力值最大为158 MPa。图10为直线外轮廓压盖和止推轴承内圈接触处端面的应力分布状况，应力值最大为163 MPa。通过对比接触应力分布可知，两种压盖结构接触应力分布无显著性差异。

4 结论

(1) 通过以上仿真分析可以得出，采用直线外轮廓的压盖替换圆弧外轮廓压盖对刚度和应力值变化没有显著的影响。因此采用直线轮廓压盖不会存在结构强度和刚度降低的现象。

(2) 采用直线外轮廓压盖的最大等效应力值低于圆弧外轮廓压盖，使应力值高区域的应力分布得到改善。

(3) 通过有限元仿真模拟分析，对压盖外轮廓优化提供了理论上的支撑，能够确保优化轮廓后压盖结构的可靠性。