公平，張靜靜，劉海波，張瑞生

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000)

據(jù)失效案例分析統(tǒng)計，保持架疲勞斷裂已逐漸成為軸承嚴重失效形式之一[1]，特別是中大型主軸軸承。實體保持架的受力較為復雜，主要有滾子對保持架的作用力、套圈引導擋邊面對保持架的作用力以及非引導擋邊面的阻力等。

由保持架和滾動體運動的不穩(wěn)定性造成的高周疲勞使保持架發(fā)生斷裂，其一般都發(fā)生在兜孔過梁位置。在軸承運轉過程中，當滾動體的公轉速度與保持架的轉速不一致時，滾動體與保持架將發(fā)生碰撞[3]。而這種動態(tài)運動是無法避免的，因此，應最大程度上保證保持架的強度，特別是對于容易發(fā)生應力集中的兜孔過梁拐角處的設計，對于延緩保持架的破壞時間，延長軸承壽命將至關重要。

1 軸承保持架結構設計改進

某型圓柱滾子軸承保持架的幾何尺寸見表1，40CrNiMoA材料特性見表2。結構改進前兜孔過梁過渡處采用小圓角設計，過渡圓角半徑最大為0.2 mm。為減小應力集中，設計了2種改進結構，一是將圓角半徑增大到0.8 mm，二是將兜孔結構更改為帶有越程槽的結構。改進前、后的結構如圖1所示(圖中單位均為mm,最大是指加工允許的最大值)。

表1 某型圓柱滾子軸承保持架相關幾何參數(shù)

表2 保持架材料特性

圖1 改進前、后兜孔結構及尺寸示意圖

2 有限元分析

2.1 建模

根據(jù)保持架的結構參數(shù)，先后建立保持架兜孔結構改進前、后的單個兜孔的三維模型，如圖2所示。

圖2 單個兜孔結構三維模型建立

2.2 網(wǎng)格劃分

將上述模型導入ANSYS中，采用SOLID186單元對上述實體進行網(wǎng)格劃分，對過梁連接處的圓角或越程槽結構進行細化，分別如圖3和圖4所示。

圖3 兜孔結構過梁圓角網(wǎng)格劃分

圖4 兜孔過梁越程槽網(wǎng)格劃分

2.3 施加約束與載荷

滾子采用部分凸度的修形方式，為模擬圓柱滾子對保持架的沖擊力，對保持架兜孔過梁處一組節(jié)點構成的接觸線施加線載荷， 接觸線長度與滾子設計時有效長度相等，為7.8 mm,此分析旨在研究同樣載荷條件下的過梁連接處結構應力，因此，取法向載荷1 170 N，約束上下端面，如圖5所示。

圖5 兜孔的載荷與約束

2.4 結果分析

結構改進前、后的保持架兜孔應力云圖如圖6～圖8所示，由圖可知，在同一約束和載荷條件下，應力最大值均在保持架的過梁拐角處。雖然3種結構過梁處的應力值均小于材料的屈服極限815 MPa，但具有差異性, 其不同結構下保持架過梁處最大接觸應力見表3。改進后的兩方案均較大幅度地減小了兜孔過梁處的最大應力。

圖6 改進前兜孔過梁應力分析云圖

圖7 改進方案1兜孔過梁應力分析云圖

圖8 改進方案2兜孔過梁應力分析云圖

表3 不同結構下保持架過梁處最大接觸應力

3 加工方式與效果對比

保持架兜孔過梁拐角處若采用圓角過渡，傳統(tǒng)加工方式采用拉床拉削；若更改為越程槽結構，則可采用加工中心進行鉆銑加工，越程槽部分采用鉆頭鉆削，兜孔工作表面采用銑刀加工。

經測試表明，方案2加工質量穩(wěn)定性高于方案1，且可以明顯提高保持架兜孔加工精度和表面質量，其具體測試數(shù)值見表4，又由于方案2結構更便于儲油和潤滑，故確定其為最終改進結構。

表4 保持架加工精度對比

4 結束語

1)保持架薄弱環(huán)節(jié)主要在兜孔過梁處，其設計是不可忽略的環(huán)節(jié)，因此在保持架結構設計時，既要保證兜孔過梁轉角不與滾子發(fā)生干涉，又要使過渡結構的設計能夠最大程度的減緩應力集中，有利于潤滑。

2)從越程槽結構兜孔與增大圓角過渡結構兜孔的對比分析可以看出，2種結構均可大幅度減緩應力集中，效果相似，但鉆銑方式加工的精度明顯高于拉削加工。

3)選用越程槽結構不但可以大幅度減少應力集中且易于保證加工精度，適用于圓柱滾子軸承保持架兜孔結構的改進設計。