支承立轧辊的双列圆锥滚子轴承疲劳寿命计算方法研究

摘要：以立轧辊及其支承的双列圆锥滚子轴承为研究对象，通过力学分析，构建了一种针对立轧双列圆锥滚子支承轴承受力进行计算的力学模型。通过对轴承滚子接触受力与局部变形的分析，建立了复合载荷作用下轴承载荷分布与疲劳寿命的计算方法。以一个具体立轧机的立辊支承轴承为算例，深入研究了轴承的轴心位移和滚动体受力变化规律。在此基础上，对轧制过程中钢坯变形与轴承受力进行了耦合计算，研究了若干工艺参数对滚子接触应力和轴承寿命的影响规律。研究发现，轴心轨迹为不规则的椭圆，滚子与内圈挡边的接触力很小，内滚道与滚子的最大接触应力略大于外滚道。随着侧压率、钢坯厚度、钢坯宽度以及立辊半径的增加，滚子的最大接触应力逐渐增大，轴承的疲劳寿命逐渐减小。在主要轧制参数中，侧压率和钢坯厚度的影响更为显著。轴承两列的载荷差值随复合载荷的增大而增大，从而导致了轴承整体寿命的降低。

关键词：立轧辊；圆锥滚子轴承；力学分析；疲劳寿命；耦合模型

中图分类号：TH133.33 文献标志码：A

立轧过程中，在电机驱动和轧制力的共同作用下，支承立轧辊的双列圆锥滚子轴承将承受径向载荷、轴向载荷、弯矩和预紧力的复合影响，其受力十分复杂，极易引起滚动体的疲劳破坏，导致轴承失效。对支承轴承进行力学分析，建立精确的接触力学、疲劳寿命计算方法并研究影响滚动轴承疲劳寿命的因素十分必要。

为了分析圆锥滚子轴承的接触载荷分布，学者们开展了大量的研究。杨霞等[1] 将轧机四列圆锥滚子轴承的多体接触问题简化为两体接触问题，采用包含子单元和微单元的三维弹性接触边界元法研究了轴承的载荷分布。刘光明等[2-3] 建立了耦合轧件、轧辊、支承辊轴承以及轴承座的四辊轧机三维有限元模型，研究了咬入、稳定轧制和抛钢阶段各列滚动体的受力，分析了工艺参数对载荷分布和板凸度的影响。陈强等[4] 采用Hertz 弹性理论建立了单个圆锥滚子轴承的分析模型，得到了各个滚子沿长度方向的接触应力分布。Yang 等[5] 通过扩展三自由度理论，提出了双列圆锥滚子轴承在外载荷和角偏差共同作用下的综合分析方法。Cheng 等[6] 基于Abaqus软件和Hertz 理论，建立了高速动车组轴箱双列圆锥滚子轴承的力学模型，分析了轴承的载荷分布和接触应力。Majdoub 等[7]采用实验和数值计算的方法研究了圆锥滚子轴承的滚子偏斜问题，分析了负载、转速、油温和润滑剂类型对偏斜的影响。吝水林等[8-9]基于柔度矩阵法研究了轧机偏载对滚动轴承力学特性的影响，采用非对称对数曲线优化了滚子母线。

近年来，学者们又进一步对滚子轴承的寿命问题进行了研究。李震等[10] 将坐标向量运算应用于双列圆锥滚子轴承的拟静力学分析，实现了复杂工况下轴承内部载荷分布和疲劳寿命的精确快速计算。Tong 等[11-12] 研究了圆锥滚子直径误差对轴承内部载荷分布和疲劳寿命的影响，假定直径误差符合正态分布，采用统计学函数描述了轴承寿命与直径误差的关系。针对同时承受径向和轴向载荷的圆锥滚子轴承，Dragoni 等[13] 分析了轴承基本额定寿命与滚子尺寸的关系，给出了轴承额定寿命最大时的滚子接触角。Quagliato 等[14] 采用Archard 磨损和Lemaitre损伤模型对滚子轴承的磨损行为进行了数值模拟，根据轴承因负载和磨损产生的跳动量对轴承的循环次数进行了预测，并利用寿命实验对模型进行了验证。Gupta 等[15] 对滚子轴承进行了动态应力承载分析，建立了仅与次表面最大正交剪切应力和应力体积有关的寿命模型，分别研究了圆柱滚子轴承和球滚子轴承在低接触应力下的疲劳寿命。Zheng等[16-17]对支撑大型直驱风力涡轮机主轴的双列圆锥滚子轴承进行了准静态分析，考虑了轴承内环和外环的角度偏差以及滚子与滚道的摩擦力，通过数值模拟研究了振荡外载荷、振荡速度、角偏差和内部间隙对轴承疲劳寿命的影响。

综上所述，这些研究往往仅针对轴承本身，缺乏对整个机械结构的综合分析。实际工况下，立轧辊支承轴承将承受以轧制力为主的复合载荷的作用，如不能对轴承的寿命进行精确预测，就很难对立轧机进行有效设计。为此，本文研究了双列圆锥滚子支承轴承在立轧过程中的力学行为，建立了精确计算滚动体受力与轴承疲劳寿命的理论模型。在此基础上，对钢坯-立辊-支承轴承系统进行了耦合分析，深入研究了复合载荷作用下，轴承接触应力和使用寿命随侧压率、钢坯尺寸、立辊半径等工艺参数的变化规律。