薄壁轴承套圈在旋转气场中的自定位分析

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薄壁套圈轴承是尺寸系列中壁厚最薄的-种轴承，由于其精度高、摩擦因数孝噪声低以及极限转速高等优点，广泛应用于模型飞机、机床、电机及纺织机械等产品。薄壁轴承套圈尺寸-般有 D/d ≤1.143或 D/d，≤1.340，如图1所示。此类轴承内外套圈的内径或外径尺寸较大，壁厚尺寸小于四分之- 内径，且小于两倍滚动体直径 。在-个系列的薄壁轴承中，采用保持恒定的横截面尺寸，与其内径无关 ；而常规球轴承系歹I：中 ，径向横截面及球径-般 与其 内径尺寸呈 正 比关 系。薄壁轴承 以其极轻的质量和不随孔径增大而增大的嗅截面而引人瞩目 。相对于常规大型及重载轴承，薄壁轴承还具有更严格的配合公差。因此，薄壁轴承经常被推荐用于需要精确控制或者旋转轴拆卸位置苛刻的地方。传统的轴承套圈检测方法-般是用机械夹持方式进行定位 ，并采用接触 式测头进行检测 。这种定位及测量方式极易使薄壁轴承套圈产生变形，无法实现精确测量。此问题-直是困扰国内轴承行业实现薄壁轴承套圈精密测量的-大难题。采用电磁无心夹具和支撑配合的装夹方式，目前多用于大中型轴承外径加工中，不适合成品轴承套 圈装夹及检测 。 。文献 [6]提 出采用多对气动测量装置 ，能有效地对薄壁轴承套圈进行检测 ，但需对套圈进行初定位。因此 ，要实现 薄壁 轴承套 圈的精确d1- l。 l /I1IJd2图 1 薄壁轴承套 圈结构示意 图测量，首先要解决对薄壁轴承套圈的精确定位。本文提出利用旋转稳定气场实现薄壁轴承套圈自定位的方法，并对薄壁轴承套圈在旋转气场作用下的变形及受力进行分析与评价。

1 旋转气场定位原理在薄壁轴承套圈的检测中，为防止定位力导致轴承套圈产生变形，-般可采取电磁装夹、气动定位等方法。电磁装夹在检测后需对零件进行消磁处理，主要用于非成品的检测 。本文根据薄壁轴承套圈质量孝易变形的特点，提出了在套圈内部产生稳定气场，由气场压力实现零件 自定位的技术方案。

此方法与传统装夹定位方式相比，同样定位力下压强很小 ，能有效防止被测零件产生变形 。

图2为旋转气场定位方案的结构原理示意图。整个装置是以喷气式旋翼中心为中心位置，其工作原理为：高压气体经进气道顶端开 KI处进入喷气式旋翼气道，并由旋翼末端喷气口高速射出；因气体基金项目：河南省重点科技攻关基金项目(10210221029)作者简介：王晓强(1972-)，男，山东莱州人，副教授，博士，主要研究方向为机械工程、精密测量技术及仪器等收稿日期：2012-1l-O8· 22· 河 南 科 技 大 学 学 报 ：自然 科 学 版的反作用力使旋翼产生旋转，在旋翼旋转过程中喷气口气体持续稳定射出，形成旋转稳定气常若轴承套圈中心与气场中心不重合，套圈因内壁受到非均布压力产生位移，套圈中心与气场中心之间的距离逐渐减小，直到零件中心与气场中心重合为止，从而达到轴承套圈自动定心的目的。根据整体测量技术方案的要求，定位装置允许套圈轴线与气场中心最大偏距为2 mm。

2 流固耦合数值模拟 图2喷气式旋翼自定心结构示意图为准确获得套圈内壁的表面周向应力分布及套圈变形情况 ，本文采用 ANSYS与 FLUENT相结合，通过流愁合模态求解的方式获得套圈内壁压力，分析得出最佳的气场输出压力值。

2.1 流 固耦合方式ANSYSFLUENT耦合方法利用 ANSYS软件包中强大的结构分析拈，采用有限单元法的基本思想进行结构分析，同时，利用FLUENT进行模拟和分析集合区域内的流体流动。这种耦合方法借助了两大软件各自的优势，通过用户 自定义功能(UDF)接口程序将两者连接起来，在流固耦合场中进行稳态求解，相互迭代，直到收敛 。

ANSYSFLUENT耦合流程(如图3所示)为：(1)根据旋转气场定位对薄壁轴承套圈定位的实际情况，抽象出相应的力学模型，并确定其几何参数。(2)利用PRO/E软件建立流体模型和固体模型，并分别划分流体、固体模型网格设置边界条件，实现耦合面的匹配。(3)设置流体域计算收敛标准，进行稳态计算，达到收敛解。(4)将经运算收敛后的交界面上的结点力作为边界条件，通过接口程序施加到固体边界结点上，在 ANSYS的 Static Structural拈中进行有限元静力分析并导出固体中流固耦合面的结点位移文件，将其传递给 FLUENT，使用动网格技术重构并更新网格， 图3 双向流固耦合流程图再进行流场的稳态计算，如此往复计算直至流体域与固体域均达到收敛标准，在计算过程中分别采用边界结点力和位移作为收敛标准。

2.2 模型建立及耦合条件设置在流体入口压力不变的情况下，对壁厚为 3 mm、直径 D 分别为80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm的系列轴承套圈进行有限元求解，计算出套圈变形大邪受力变化趋势。设定套圈偏心距(轴承套圈轴线与气场中心轴线间距离)选取范围为 2～20 mm，节距 2 mm，共 10个节点来进行计算分析〃立几何模型如图4所示，外部为被测轴承套圈模型，内部为定位气场模型。

在 ANSYS中添加轴承套圈材料为滚动轴承钢，其参数如表 1所示。

表 1 滚动轴承钢材料参数图 4 轴 承套圈与内部气场模型表 2 流体模型边界条件· 24· 河 南 科 技 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版程式为 ： 9k 026D 。 (2)综合以上分析，在影响套圈所受推力 F的因素中只考虑 6套圈直径与偏心距时，可将方程(1)和方程(2)联立得： 至5F 0，2dbdD 。。 (3)从而可以得 出：当旋翼出 口压力-定 时，对于 已知直径的 2轴承套圈，在旋转气场中所受推力 ，大小与偏心距 d呈式(3)所表述的线性正比关系。根据式 (3)，即可判定能否对某尺寸轴承套圈进行 自定位并求出定位精度(推力 F大于轴承静摩擦力时的 d值)。

表 4 线性 回归结果数 据图 7 偏心距与推力关 系图图8为各尺寸轴承套圈的弹性变形量△L与推力 F数据分布图，从图 8中可清晰得出：在本试验模型下，两者基本符合二次多项式关系，故将表 1中所有推力与变形量的数据以-条直线拟合，其拟合方程为 ：△L Bo 1FB2F2。 (4)拟合数据结果中B。-9.503 5×10-，根据方程(4)，当 F为0时，△ 应为0，拟合曲线可决定因数为 0.988 75。试验数据与实际情况相符合，误差较校经过试验及对其结果数据的分析可以得出：在使用旋转气场对轴承套圈进行定位且旋翼出口压力-定时，轴承套圈变形量与其所 图8 套圈变形量与推力关系图受推力呈上式拟合方程所表述的二次多项式关系，与轴承套圈直径无关。故对任意直径的轴承套圈进行定位时，由其所受推力大写可求出其变形量。

4 结论本文针对薄壁轴承检测的定位问题，设计了旋转气场自定位装置，并通过数值模拟分析了定位中造成薄壁套圈变形的因素，建立了弹性变形量与套圈直径、偏心距以及套圈受力的定量关系，最终得到使用该定位装置对任意直径轴承套圈定位的判定依据，套圈定位精度及变形量的计算公式。试验结果表明：通过旋转稳定气场实现薄壁轴承套圈自定位的方法是可行和有效的；本文所涉及的定位装置不仅可实现对被测薄壁轴承套圈的快捷定位，同时由于定位力仅使套圈产生弹性变形，保证了零件质量及测量精度要求。