沟槽型织构化圆锥滚子轴承保持架的动力学分析①

金志浩, 王志慧, 龙日升,*, 王 明

(1.沈阳化工大学装备可靠性研究所,辽宁 沈阳 110142;2.中建安装集团有限公司,江苏 南京 210046)

0 引 言

滚动轴承是机械设备中应用最广泛的零件之一[1]。圆锥滚子轴承作为滚动轴承的一种,具有滚子与滚道之间的接触面积大,刚性高,抗疲劳性能好等优点,在风力发电机齿轮箱和高速铁路机车等重型机械设备中得到了广泛应用[2]。

轴承在运行过程中会产生冲击,过大的冲击会破坏轴承保持架的稳定性,影响设备的使用安全。目前已有很多学者针对轴承保持架的稳定性做了许多研究。涂文兵等利用中心差分法对高速列车轴箱轴承进行显示动力学求解,发现轴承保持架的稳定性随车速的提高而提高[3]。邓四二等利用Adams对高速圆柱滚子轴承进行动力学分析,研究了不同引导方式下轴承保持架的动态响应规律。结果表明,在外圈固定,内圈旋转的情况下,兜孔间隙与保持架-引导套圈间隙之比越小,保持架质心轨迹越规则,且保持架采用外引导的方式时更为稳定[4]。杨海生等利用Adams刚柔耦合动力学软件进行仿真分析。结果表明,高速轻载工况下易产生较大的打滑率,适当的增大轴承径向游隙可以降低打滑率[5]。Zhang等人对圆柱滚子轴承进行动力学分析,结果表明,滚子在工作过程中对保持架的冲击会导致保持架发生不稳定的旋转,转速发生不规则变化[6]。

以上均是对光滑轴承保持架不同方面的研究,目前对于织构化滚动轴承保持架的运动特性研究尚未见报道。因此,通过构建沟槽织构化圆锥滚子轴承的三维模型,并对模型进行Adams动力学软件仿真分析,探讨沟槽宽度及内圈转速对圆锥滚子轴承保持架动力学行为的影响。这将为织构化滚动轴承可靠性研究提供参考。

1 系统模型建立

1.1 参数确定及模型建立

采用型号为30206的圆锥滚子轴承,轴承装配示意图如图1所示。该轴承的主要参数如表1所示。

表1 圆锥滚子轴承相关尺寸

图1 30206圆锥滚子轴承装配示意图

1.2 模型假设与分析设置

通过Adams动力学仿真分析研究不同条件下保持架质心的运动轨迹。在对轴承建模时,需要对轴承进行简化处理,并作出以下假设[7]:

(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。

在Adams仿真分析过程中,需要对各零件之间设置接触属性,具体设置参数如表2所示。

表2 软件接触参数设置

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,创建轴承内圈与轴承外圈之间的旋转副,创建圆锥滚子与轴承内外圈、保持架之间的接触属性,完成上述设置的轴承模型如图2所示[8]。

图2 运动副构建

2 仿真结果与分析

2.1 不同转速条件下保持架的质心轨迹

设置轴承内圈为点驱动,轴向施加载荷2000N,径向施加载荷为2000N。径向载荷方向与轴承承受重力方向相同,均为Y轴正方向。当轴承内圈转速分别设置为5000d/s,10000d/s和15000d/s时,无织构圆锥滚子轴承的质心轨迹如图3所示。

图3 不同转速条件下保持架质心的运动轨迹:(a) 5000d/s; (b) 10000d/s; (c) 15000d/s

由图3可见,在相同载荷条件和不同转速下保持架质心的运动轨迹均呈椭圆状。当轴承内圈转速较低时,保持架质心的运动轨迹呈现出椭圆的趋势,但波动较大,稳定性较差如图3(a)所示。随着内圈转速的提高,质心轨迹呈现完整的椭圆形状,保持架的运动状态也愈发稳定,如图3(b),3(c)所示。由此可知,在合理的转速范围内,适当提高轴承内圈的转速,保持架的稳定性能更佳。

图4 不同织构参数示意图:(a) 沟槽织构宽度为54.59μm;(b) 沟槽织构宽度为233.27μm;(c) 沟槽织构宽度为466.52μm

2.2 不同织构参数下保持架的质心轨迹

对圆锥滚子轴承外滚道进行径向沟槽织构化处理,沟槽深度50μm,宽度分别为54.59μm,233.27μm,466.52μm,对应周向角度分别为0.117°,0.5°,0.9°。沟槽条数为30,如图4所示。对沟槽织构化圆锥滚子轴承的保持架进行动力学分析,观察轴承在相同工况、不同织构宽度条件下保持架质心的运动轨迹,如图5所示。

图5 不同织构宽度下轴承保持架质心运动轨迹:(a)无织构轴承保持架质心运动轨迹;(b)沟槽宽度为54.59μm的轴承保持架质心运动轨迹;(c)沟槽宽度为233.27μm的轴承保持架质心运动轨迹;(d)沟槽宽度为466.52μm的轴承保持架质心运动轨迹

转速为15000d/s时沟槽织构的宽度对圆锥滚子轴承保持架质心稳定性能的影响规律,如图5所示。圆锥滚子轴承在启动初期,保持架的实际转速小于理论转速,保持架质心的运动轨迹在运行初期较为紊乱。随着仿真时间的增长,轴承转速不断提高,保持架逐步稳定,呈椭圆趋势。通过对比无织构圆锥滚子轴承与织构化圆锥滚子轴承的保持架质心轨迹图可知,沟槽宽度为233.27μm,对应周向角度0.5°的轴承,其保持架质心轨迹波动较小,椭圆较为平整,运行更为稳定。

3 结 论

利用Adams对30206圆锥滚子轴承的保持架进行了动力学求解分析,揭示了相同承载条件下轴承内圈转速及沟槽织构宽度对圆锥滚子轴承保持架质心轨迹的影响,得到以下结论:

1)随着轴承内圈转速的提高保持架质心的运动轨迹呈椭圆的趋势越明显,运动稳定性提高。

2)通过观察在不同织构参数下保持架质心的运动轨迹图可知,沟槽织构宽度为233.27μm,对应周向角度0.5°的圆锥滚子轴承,其保持架质心轨迹波动较小,椭圆较为平整,运行更为稳定。