基于ANSYS的负间隙回转轴承静力学分析

李佳佳

（江苏安全技术职业学院，江苏 徐州221011）

0 引言

回转轴承可广泛应用于大型起重机、挖掘机、风力发电机等重型机械的生产领域。但在风力发电机领域，由于其特殊的工作条件和环境，其内部需增加摩擦力矩。为了满足较大的摩擦力矩，必须对回转轴承的间隙进行调整，以保证其保持负间隙要求。因此，负间隙回转轴承的研究正逐渐受到轴承制造界的关注。

随着CAD/CAE/CAM技术的发展，各种有限元软件被广泛应用于轴承设计领域。利用有限元软件研究了滚珠轴承[1]的载荷挠度、摩擦特性，对大型回转支承采用相关的有限元软件对轴承寿命和载荷分布进行了研究[2]。所得结果表明，有限元软件可以很好地应用于轴承设计领域。孙伟[3]利用ANSYS中的非线性接触模型计算了哥特式弧形轴承的变形和载荷。但对于负间隙、四接触点回转轴承，其研究只是建立在理论计算的基础上。伍生[4]计算了不同负间隙回转轴承在零载荷作用下钢球与内外圈的接触载荷，计算过程十分复杂。

本文采用有限元法计算回转轴承的应力分布和位移变形，并提出负间隙与接触应力之间的关系。

1 回转轴承的有限元分析

1.1 回转轴承有限元模型

一般回转轴承的载荷工况基本相同，主要有轴向载荷Fa、径向载荷Fr和弯矩Mt，如图1所示，其中，轴向荷载和弯矩是主要荷载。本文利用Pro-E软件建立回转轴承模型，将其转换为.igs文件，然后导入ANSYS。本文根据实际承载能力，分别分析了轴向载荷和倾覆力矩对回转轴承的影响，主要研究内、外圈滚道和钢球的承载情况。

图1 四点接触球轴承结构示意图

在建立轴承模型时，考虑回转轴承在轴向载荷作用下尺寸和载荷的对称性，建立了四分之一的有限元模型，以节省计算时间，提高计算效率。在受弯矩作用时，由于半个回转轴承受压载荷和另一半受拉载荷的影响，在有限元分析中使用了一半的轴承模型。通过改变钢球直径来调整负间隙值，得到负间隙与接触应力之间的关系。该模型可以用三维实体单元SOLID 92进行网格化。如图2所示，有限元模型包括整体有限元模型、半有限元模型和四分之一有限元模型。

图2 回转轴承有限元模型

内/外滚道与钢球之间的接触单元类型为节点，接触面的元素是CONTA175，物体表面的元素是TARGE170[5]。在内滚道与球的接触副中，内滚道为接触面，目标面为钢球；在外滚道和钢球之间，外滚道是接触面，不同球径的回转轴承节点和单元数不相同。

端部的内圈根据回转轴承的实际工作情况，受主载荷的影响。当轴承受倾覆力矩时，回转轴承的一半受压，另一半被拉。它们的边界条件是（1）内圈内边和外圈外缘上的所有节点自由度都受到全方位约束；（2）外层的所有节点自由度均受轴向约束；（3）对称平面上的所有节点自由度都是对称约束。轴承参数如表1所示。

表1 回转轴承模型参数值

1.2 有限元分析结果

接触计算时采用弹性接触理论，以提高效率和提高精度。在ANSYS计算过程中，接触面积会发生变化，因此，接触刚度应随解的进行而改变。重新定义了加载步骤之间的接触刚度，通过设置单元类型KEYOPT可以自动调整。由于本文所讨论的是静态分析，所以不考虑摩擦问题，因此KEYOPT设为粗糙。在有限元分析的基础上，钢球在所有工况下都受到最大应力作用，分析结果表明，在不同负间隙的回转轴承中，内外圈和钢球的应力和位移分布相似。在本文中，只选择一个轴承，其理论负间隙值为-0.02 mm，从图3可以看出应力和位移的分布。

（续下图）

（接上图）

图3 轴向载荷作用下内外滚道和钢球有限元模型的云图

从图2可以看出，最大应力位置在角分布上。从应力云图中可以看出，它们最大应力的位置与云图中位移的位置是对应的，都在角接触处。

根据图4可以清楚地看到倾覆力矩作用下回转支承的应力和位移分布。最大应力出现在与拉力和压力交界处，而最小应力出现在接头处。随着力矩的增大，应力逐渐增大。最大应力达到215 MPa，在相同的载荷工况和回转轴承参数下，这和文献[7]的理论计算结果208 MPa数值比较接近。

（续下图）

（接上图）

图4 倾覆力矩作用下内外滚道和钢球有限元模型的云图

图5计算了回转轴承接触应力随负间隙变化而变化，通过改变钢球的直径尺寸来改变负间隙值，当钢球直径为15 mm时，负间隙为0，随着钢球直径增大，负间隙值的绝对值逐渐增大。结果表明，回转轴承在轴向载荷作用下，内外圈接触应力随负间隙绝对值的增大而逐渐增大。通过钢球和内外滚道接触应力结果的比较，发现钢球接触应力梯度变化最大，而内圈滚道接触应力变化较为平稳。此外，钢球的接触应力大于内外圈滚道。回转轴承在受倾覆力矩作用时，其外圈滚道和钢球接触应力随着负间隙绝对值的增大而逐渐增大。内圈滚道的接触应力在倾覆力矩作用下，随负间隙变化不大，比较稳定[6]。

图5 不同负间隙下的内、外圈滚道和钢球在不同载荷下的最大应力

2 结论

基于ANSYS对负间隙回转轴承进行了静力分析，得到了内、外圈和钢球的接触应力和位移结果，并与其他理论模型的计算结果进行了比较，验证了有限元法的可靠性。

回转轴承通过改变球径来调整负间隙，计算结果表明，随着负间隙绝对值的增大，接触应力值逐渐增大，有限元计算结果与理论计算结果基本一致。对回转轴承的进一步设计具有一定的参考价值。同时利用ANSYS软件，得到了负间隙回转轴承有限元模型的位移云图和应力云图。