摘  要：針對某軋板廠立輥軋機(jī)輥頸四列圓錐滾子軸承保持架斷裂事故,建立了軸承系統(tǒng)有限元模型；在軸承元件間重要接觸位置采用接觸單元建立了面—面接觸對。仿真得到了保持架的變形和應(yīng)力分布情況,找出了軸承保持架斷裂的原因,并對今后此類軸承的設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：四列圓錐滾子軸承；立輥軋機(jī)；保持架；有限元；脈動應(yīng)力

軸承是各種機(jī)械中承受載荷的重要支承零件，常被稱之為機(jī)械的“關(guān)節(jié)”。軋機(jī)軸承更是要滿足高速、重載、大沖擊和環(huán)境惡劣等多項(xiàng)要求。

某軋板廠的懸臂式立輥軋機(jī)輥頸軸承采用的四列圓錐滾子軸承連續(xù)幾次由于保持架斷裂（見圖 1 ）導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成嚴(yán)重的損失。本文對軸承系統(tǒng)進(jìn)行了有限元計(jì)算，著重分析了保持架的變形和受力情況。

1　有限元模型建立

該廠立輥軋機(jī)用軸承為非標(biāo)準(zhǔn)四列圓錐滾子軸承，它由兩個雙列圓錐滾子軸承組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：包括兩個雙滾道外圈、四個單滾道內(nèi)圈、滾子、隔離環(huán)、銷軸和保持架組成。

四列圓錐滾子軸承可承受徑向和軸向的聯(lián)合載荷。考慮到軸承結(jié)構(gòu)的對稱性和軸承所承受載荷的分布情況（徑向載荷沿周向在120°內(nèi)呈余弦分布［1］，沿軸向呈均勻分布）。本文取軸承結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行分析，如圖3所示。

2   網(wǎng)格劃分和軸承元件間的聯(lián)接方式

2．1　網(wǎng)格劃分

選用三維實(shí)體單元，采用體掃掠（Sweep）的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。體掃掠不但可以得到較規(guī)則的六面體單元，而且可以控制不同零件接觸位置的節(jié)點(diǎn)分布情況。這可以為下一步合并某些軸承元件的節(jié)點(diǎn)做好準(zhǔn)備。 

2．2　軸承元件間的聯(lián)接方式

滾動體與滾道之間、滾子大端與內(nèi)圈擋邊之間以及徑向載荷區(qū)域內(nèi)（60°）的銷軸與保持架之間采用接觸單元建立了面—面接觸對；而銷軸與滾動體之間以及徑向載荷區(qū)域外的銷軸與保持架之間采用節(jié)點(diǎn)合并的方式處理。

3　載荷與約束

3．1　載荷

圖4為軸的受力圖。其中Fr是所研究的四列圓錐滾子軸承處的徑向力，取Fr＝2000ｋＮ；軋輥表面與軸線夾角的正切值tanα＝0.0417；軋輥在板坯中心處的直徑Ｄ＝860.416ｍｍ；間距L1＝1052.5ｍｍ，L2＝1697.5ｍｍ。

對左端取矩有：

聯(lián)立上面三式求得軸承的軸向載荷Fa＝2.73ｋＮ。

有限元分析時，軸向載荷加在軸承與軸肩接觸的位置；徑向載荷加在軸承內(nèi)圈表面的60°以內(nèi)，沿周向呈余弦分布?沿軸向呈均勻分布。

3．2　約束

根據(jù)軸承的安裝形式和受載情況?取邊界條件如下：

外圈外表面的節(jié)點(diǎn)：徑向位移約束Ux＝0和 周向位移約束Uy＝0；

外圈右側(cè)端面的節(jié)點(diǎn)：軸向位移約Uz＝0； 

對稱約束：對稱表面的節(jié)點(diǎn)SYMM＝0 ［2］。 

軸承加載和約束后的效果如圖5所示。

4　有限元計(jì)算結(jié)果分析

4．1　保持架的變形

受軸彎曲變形的影響，保持架的軸向位移上下應(yīng)該是相反的。如圖6所示，在軸承二分之一寬度處取與軸承端面平行的截面Ⅰ，從保持架位移值的正負(fù)可以看出所有保持架的上端（軸承負(fù)載區(qū)）均遠(yuǎn)離截面Ⅰ，而保持架的下端（軸承非負(fù)載區(qū)）均向截面Ⅰ靠攏。這說明保持架相對截面Ⅰ出現(xiàn)了傾斜。

同樣，保持架的徑向位移上下也不是相同的。因此，特別是在高速、重載的工況下，保持架的變形對整個軸承的穩(wěn)定性有很大的影響。

4．2　保持架的應(yīng)力分布

圖7～9分別是保持架的第一主應(yīng)力云圖、第三主應(yīng)力云圖和等效應(yīng)力云圖。

從以上各圖可看出?保持架的兜孔周邊是應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力***大位置處的第一主應(yīng)力S1＝36.968ＭＰａ，第三主應(yīng)力S3＝-58.59ＭＰａ?？梢?，該處的應(yīng)力狀態(tài)為既受拉又受壓，應(yīng)取等效應(yīng)力來校核其強(qiáng)度。其等效應(yīng)力Seqv＝84.6ＭＰａ。當(dāng)軸承旋轉(zhuǎn)180°以后，該處的等效應(yīng)力基本為0，所以保持架受循環(huán)特性ｒ＝0的脈動循環(huán)應(yīng)力［3］。由于該廠立輥軋機(jī)存在很大的沖擊載荷，導(dǎo)致保持架兜孔周邊受到很大的脈沖循環(huán)應(yīng)力，保持架由于疲勞而在兜孔處斷裂。

5　結(jié)論

1 ）過去認(rèn)為保持架是一個只繞軸承軸線作定軸旋轉(zhuǎn)的不受力的零件。但通過本文的計(jì)算分析可以看出：受軸的變形和滾子撞擊的影響，保持架會發(fā)生變形和受循環(huán)應(yīng)力作用。

2）今后在設(shè)計(jì)軸承時，應(yīng)保證軸承保持架具有足夠的強(qiáng)度。

【參考文獻(xiàn)】

［1 ］王振華．實(shí)用軸承手冊［Ｍ］．北京：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社?1996

［2 ］曾攀．有限元分析及應(yīng)用［Ｍ］．北京：清華大學(xué)出版社，2004

［3 ］徐灝等．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991