基于ADAMS的单双列圆柱滚子轴承保持架动力学仿真

张月正 汪学栋 汪中厚 付春晓 王昌胜 余映辉 金徐晗

1 引言

圆柱滚子轴承因其径向承载能力大，摩擦因数小，能够承受重负荷和冲击负荷而被广泛采用。对轴承进行动力学性能分析，进而指导轴承设计，提高轴承的工作性能一直是轴承领域的一个重要课题。

轴承运转过程中滚子会与保持架、外圈、内圈发生碰撞冲击，过大的冲击甚至会导致轴承保持架破坏[1-2]。目前已经有很多学者对轴承工作性能进行了研究，其中包括基于赫兹接触理论的拟静态分析[3]，考虑轴承滚子受力不均下产生惯性力与惯性力矩而进行的拟动力学分析，当然其中还包括对轴承保持架进行的动力学性能分析[4-5]等研究。

本文首先在SolidWorks软件中对轴承装配体进行建模，进而将装配体模型导入ADAMS中实现了不同载荷与不同转速下单双列圆柱滚子轴承的动力学性能分析，研究了轴承保持架质心的运动规律。

2 系统模型建立

2.1 参数确定及模型建立

本文选用型号为N1007的单列圆柱滚子轴承与型号为NN3007的双列圆柱滚子轴承进行分析，该轴承径向承载能力大，摩擦因数小，适合高速无轴向载荷的应用场景，轴承主要参数如表1所示。

表1 轴承参数 单位：mm

建模完成的不含轴承外圈的装配体模型，如图1所示。

图1 不含外圈的圆柱滚子轴承模型

文中各零件材料一致，材料属性参数，如表2所示。

表2 零件材料属性参数

2.2 保持架受力分析

邓四二等[6-7]建立了详细的圆柱滚子轴承保持架的受力分析模型，保持架主要受重力G，滚子与保持架兜孔之间由接触变形引起的沿保持架切向的接触力FF，沿保持架法向的滚子与保持架之间的摩擦力FTFR及引导挡边的拖动扭矩 T，保持架非引导面受到的油/空气牵引扭矩TCDO、TCDS，如图2所示。

图2 轴承保持架受力

3 仿真结果分析

3.1 模型假设与分析设置

本文所建立的模型基于以下基本假设：

(1)假设各零件为刚体，忽略柔性体变形；

(2)发生的接触为弹性变形接触；

(3)各零件形心与质心重合。

仿真分析中还需要在ADAMS软件中对零件之间的接触属性进行设置，具体设置参数如表3所示。

表3 软件接触参数设置

其中：保持架的运动微分方程为：

其中：NZ为滚子数量；m为保持架质量；I为保持架极惯性矩；dm为轴承节圆直径。

导入ADAMS中的轴承装配体还需要进行约束设置，创建轴承外圈与大地之间的固定副约束，创建轴承内外圈之间的平行约束，创建轴承滚子与轴承内外圈、保持架之间的接触属性，完成上述设置的轴承模型如图3所示。

图3 运动副构建

3.2 不同载荷下轴承保持架的质心运动轨迹

设置轴承内圈为点驱动，转速为3000 r/min，轴承径向载荷大小分别为 1000 Nm、2000 Nm 和3000 Nm，径向载荷方向与轴承所受重力方向相同，均为沿Y轴负向方向，质心运动轨迹如图4所示。

图4 不同载荷下轴承保持架质心运动轨迹

图4分别为单、双列圆柱滚子轴承在不同大小径向载荷作用下，保持架质心运动轨迹对比图，观察图4(a)可以发现，在径向载荷达到3000 Nm时，保持架质心的运动范围发生了明显收缩，表明在该载荷下，保持架的运动状态较另外两种载荷更为稳定，且随着径向载荷的增大，质心运动轨迹中心在Y轴负向的位移也逐渐增大。

观察图4(b)，双列圆柱滚子轴承保持架质心的运动轨迹随径向载荷的增大，运动范围变化并不明显，轴承一直保持着较为稳定的运动状态，但Y轴负向的位移也有明显增大趋势。

图5为相同径向载荷下单、双列圆柱滚子轴承保持架质心运动轨迹，对比图5(a)、(b)、(c)可以发现，单列轴承的 Y轴位移较双列轴承更大，在3000 N载荷下，单双列轴承的保持架运动轨迹较为收拢，运动状态相对稳定；不同载荷下的双列轴承的运动稳定性均高于单列轴承。

图5 相同载荷下轴承保持架质心运动轨迹

通过观察图4和图5可以发现，在相同转速下，双列圆柱滚子轴承的运动状态较单列轴承更容易稳定，双列轴承的保持架径向位移较单列轴承也更小，表明双列轴承能够承受更大的径向载荷；随负载增加，单列轴承的运动状态也愈发稳定。

3.3 不同转速下轴承保持架的质心运动轨迹

设置轴承的径向载荷统一为1000 N，轴承转速分别设置为3000 r/min、5000 r/min和8000 r/min，单、双列轴承的质心运动轨迹如图6所示。

图6 不同转速下轴承保持架质心运动轨迹

图6为在相同径向载荷、不同转速下单/双列圆柱滚子轴承保持架的质心运动轨迹，观察图6(a)可以发现，单列轴承质心运动轨迹随转速提高有逐渐收拢迹象，表明随转速增加，单列轴承运动平稳性有所提高；然而观察图6(b)可以发现，转速变化对双列轴承的质心运动轨迹基本没有影响。

图7是轴承分别在5000 r/min和8000 r/min时的单、双列圆柱滚子轴承保持架的质心运动轨迹对比，结合图5(a)观察可以发现，在不同转速下双列轴承的运动稳定性均较单列轴承有所提高；随转速提高，单、双列轴承保持架质心的运动状态差异逐渐减小。

图7 相同转速下轴承保持架质心运动轨迹

4 结语

应用ADAMS仿真平台对单、双列圆柱滚子轴承进行了轴承动力学分析，研究了不同载荷和不同转速下轴承保持架的质心运动轨迹，获得的主要结论如下：随着径向载荷的增加，轴承保持架的质心运动轨迹逐渐向中间收拢，运动稳定性提高；随着轴承转速的提高，单列轴承的质心运动轨迹逐渐收拢，单、双列轴承的运动稳定性差异减小；双列轴承的质心径向位移量远低于单列轴承位移量，双列轴承的运动稳定性高于单列轴承。