润滑状态对滚动轴承动态接触特性的影响

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

滚动轴承的动态接触特性是轴承组件间的复杂动力学行为和接触力学行为的综合体现，滚动接触表面的疲劳失效是决定滚动轴承使用寿命的重要因素之-[1 ]。 润滑行为会对摩擦副的接触特性产生明显 的影响，对滚动轴承接触疲劳寿命也有显著影响D]。本文选用 NF209型圆柱滚子轴承为研究对象，利 用ANSYS/LS-DYNA，重点针对边界润滑、混合润滑和流体润滑 3种润滑状态下滚动轴承运转过程中组件间的接触应力变化状况和位移变形情况进行对比分析，为滚动轴承的动态接触特性预测和合理润滑方案的设计提供参考。

1 理论方程与有限元建模1.1 基本理论与控制方程在滚动轴承动态接触特性有限元数值分析过程中，ANSYS/LS-DYNA选用的显式积分算法通过质量缩放缩短计算时间，更适合于求解该类非线性多体动力接触问题，轴承系统的求解控制方程为[4]：M 奎 C Kx(t)Q。 (1)其中： 、立、z( )分别为系统节点的加速度矢量、速度矢量和位移矢量；M为系统的质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；Q为系统的节点载荷矩阵。

LS.DYNA程序中没有接触单元，只要定义可能的接触表面以及它们之间的接触类型和与接触相关的- 些参数，在程序计算中就能保证接触界面不发生穿透，并在接触界面有相对运动时考虑摩擦力的作用。

1.2 FEM 模型的建立本文重点研究不同润滑状态下接触表面动态应力等特性，且非重载工况下忽略塑性变形的影响。选滚子和内、外圈为线弹性材料，保持架为刚体材料，以节势算时间；内、外圈及滚动体材料为 GCr15钢，保持架为冷轧钢板；轴承密度 fD7.830×10 kg/mm ，弹性模量 E2.07×10。kPa，泊松比 0.3。选用三维实体单元 Solid164，通过试算，在满足计算精度的前提下选变形区网格尺寸为 1.75 mm，采用 自由和扫掠相结合的方法划分网格，生成的有限元模型如图 1所示。

圈 1 轴承的有限元分析模 型结合滚动轴承的实际工作情况，采用内圈转动、外圈固定的边界约束方案。限制外圈外圆柱表面上节点所有方向自由度、内圈Y向(轴向)平动和 X向、 向转动自由度；对保持架限制除 Y向转动以外所有 自由度；滚子不加约束。为方便施加载荷，这里在内圈中建立了-段刚性轴颈，轴颈与内圈粘结以保证内圈上力安徽省自然科学基金资助项目 (1OO4O6O6QO9)收稿 日期t 2013-01-09l修回日期：2013-01-29作者简介 t刘颖 (1987-)，男，安徽怀宁人，助理工程师。硕士，研究方向t数字化设计与制造。

· 2O · 机 械 工 程 与 自动 化 2013年第4期的传递和变形的连续性。

采用三维自动面接触，定义内圈外表面、外圈内表面、保持架与滚动体外圆表面之间的 3组接触对。载荷和转速设为定值以忽略其对润滑状态的影响。分别选取流体润滑、混合润滑和边界润滑 3种润滑状态下各组件之间动摩擦 因数的典型值 0.008、0.04和0.2c引。 静摩擦因数比动摩擦 因数高 2O ～3O 9，6[6]，分别取为 0.010 4、0.052和 0.26。

2 模拟结果与讨论本文通过定义不同的摩擦因数模拟现实情况中存在的不同润滑状态，对轴颈施加 1 kN径向(z向)载荷和 3 000 r/min转速载荷，对滚动轴承运动过程进行仿真，仿真时间为8O ms(内圈转动 4圈)。

2.1 滚子组应力分布某-时刻(50 ms)3种润滑状态下滚子的等效应力云图如图2所示。3种情况下滚子的最大等效应力均出现在与内、外圈接触的部位；承受最大应力的滚子位于承载 区且沿转速方向(逆时针方向)偏离载荷 的正方向。3种润滑状态下滚子的最大应力值分别为396.1 MPa、332.7 MPa和 194.4 MPa。

2.2 滚子组单元应力变化情况图3为 3种润滑状态下滚子组最大剪切应力-时间历程。由图3可知，不同润滑状态下滚子组最大剪切应力大型分布情况均发生了变化。边界润滑、混合润滑、流体润滑下滚子组剪切应力极大值依次为t/ms(a)边界润滑411.3 MPa、303.7 MPa、258.5 MPa；平均值依次为158.6 MPa、94.4 MPa、80.0 MPa。流体润滑时应力值最小，工作应力基本分布在 150 MPa以下，且应力峰值出现次数明显减少。

(a)边界润滑.· · · ： 。o ·o o ：尊 尊 · ·· ；：姆 蹲 静罄霸 麝 镒囊 赫 辍 棼(b)混合润滑(c)流体润滑图2 3种润滑状态下滚子组应力分布2.3 栽荷方向轴心位移动态条件下，常需要作径向轴承的轴心轨迹计算，以明了轴承在-定循环周期 内的力学性能变化情况 。

轴承径向位移是轴承尺寸、游隙、速度和载荷分布的函数。本仿真模拟中，轴承只承受单方向的径向载荷，外圈外圆表面固定，轴心载荷方向的位移大猩看成是轴承在动态载荷条件下由于各部件接触引起的综合变形 。

t/ms(b)混合润滑300250200譬 150目 10050t/Is(c)流体润滑图 3 3个润滑状态下滚子组最大剪切应力-时间历程曲线3种情况下轴心载荷方向位移量仿真结果如图4 -0.047 7 mm～0.176 mm 范围内；流体润滑时为所示。边界 润滑条 件下轴 心载荷 方 向位 移量在 0.000 45 mm～O.163 mm。对比可发现，流体润滑状- 0.168 mm～0.333 mm之间；混合润滑时位移量在 态下，轴心位移量分布相对集中，变化幅度减校t/ms t/.s(a)边界润滑 (b)混合润滑图 4 3种润滑状态下载荷方向轴心位移-时间历程曲线t/s(c)流体润滑(下转第 23页)l1强嚆壤翟量譬j ：宝；宝：宝：宝 ：宝 ∞h c号h.嚣 孙t竺 矧 毗∞ 吕：∞u-； 夏 L L L2013年第4期 机 械 工 程 与 自动 化 ·23 ·角线，与本文计算方法存在-定的偏差。本文编制的计算程序中建立了燃速随压力的变化关系，计算结果更加贴近xx燃烧的规律性，是对传统计算方法的-种改善。

3 结论通过建立内弹道方程组，借助 Simulink编制合理程序，选取相应计算模型，能够较为准确地解算出压力随时间的变化曲线，并通过比较分析验证压力随xx力及燃速系数的增大而增加的理论，同时得出比传统计算方法更加准确的 -z曲线，能够更加贴切地反映xx燃气生成规律。通过计算分析得出此计算程序更加合理可行 。