張月正 汪學棟 汪中厚 付春曉 王昌勝 余映輝 金徐晗

1 引言

圓柱滾子軸承因其徑向承載能力大，摩擦因數(shù)小，能夠承受重負荷和沖擊負荷而被廣泛采用。對軸承進行動力學性能分析，進而指導(dǎo)軸承設(shè)計，提高軸承的工作性能一直是軸承領(lǐng)域的一個重要課題。

軸承運轉(zhuǎn)過程中滾子會與保持架、外圈、內(nèi)圈發(fā)生碰撞沖擊，過大的沖擊甚至會導(dǎo)致軸承保持架破壞[1-2]。目前已經(jīng)有很多學者對軸承工作性能進行了研究，其中包括基于赫茲接觸理論的擬靜態(tài)分析[3]，考慮軸承滾子受力不均下產(chǎn)生慣性力與慣性力矩而進行的擬動力學分析，當然其中還包括對軸承保持架進行的動力學性能分析[4-5]等研究。

本文首先在SolidWorks軟件中對軸承裝配體進行建模，進而將裝配體模型導(dǎo)入ADAMS中實現(xiàn)了不同載荷與不同轉(zhuǎn)速下單雙列圓柱滾子軸承的動力學性能分析，研究了軸承保持架質(zhì)心的運動規(guī)律。

2 系統(tǒng)模型建立

2.1 參數(shù)確定及模型建立

本文選用型號為N1007的單列圓柱滾子軸承與型號為NN3007的雙列圓柱滾子軸承進行分析，該軸承徑向承載能力大，摩擦因數(shù)小，適合高速無軸向載荷的應(yīng)用場景，軸承主要參數(shù)如表1所示。

表1 軸承參數(shù) 單位：mm

建模完成的不含軸承外圈的裝配體模型，如圖1所示。

圖1 不含外圈的圓柱滾子軸承模型

文中各零件材料一致，材料屬性參數(shù)，如表2所示。

表2 零件材料屬性參數(shù)

2.2 保持架受力分析

鄧四二等[6-7]建立了詳細的圓柱滾子軸承保持架的受力分析模型，保持架主要受重力G，滾子與保持架兜孔之間由接觸變形引起的沿保持架切向的接觸力FF，沿保持架法向的滾子與保持架之間的摩擦力FTFR及引導(dǎo)擋邊的拖動扭矩 T，保持架非引導(dǎo)面受到的油/空氣牽引扭矩TCDO、TCDS，如圖2所示。

圖2 軸承保持架受力

3 仿真結(jié)果分析

3.1 模型假設(shè)與分析設(shè)置

本文所建立的模型基于以下基本假設(shè)：

(1)假設(shè)各零件為剛體，忽略柔性體變形；

(2)發(fā)生的接觸為彈性變形接觸；

(3)各零件形心與質(zhì)心重合。

仿真分析中還需要在ADAMS軟件中對零件之間的接觸屬性進行設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如表3所示。

表3 軟件接觸參數(shù)設(shè)置

其中：保持架的運動微分方程為：

其中：NZ為滾子數(shù)量；m為保持架質(zhì)量；I為保持架極慣性矩；dm為軸承節(jié)圓直徑。

導(dǎo)入ADAMS中的軸承裝配體還需要進行約束設(shè)置，創(chuàng)建軸承外圈與大地之間的固定副約束，創(chuàng)建軸承內(nèi)外圈之間的平行約束，創(chuàng)建軸承滾子與軸承內(nèi)外圈、保持架之間的接觸屬性，完成上述設(shè)置的軸承模型如圖3所示。

圖3 運動副構(gòu)建

3.2 不同載荷下軸承保持架的質(zhì)心運動軌跡

設(shè)置軸承內(nèi)圈為點驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為3000 r/min，軸承徑向載荷大小分別為 1000 Nm、2000 Nm 和3000 Nm，徑向載荷方向與軸承所受重力方向相同，均為沿Y軸負向方向，質(zhì)心運動軌跡如圖4所示。

圖4 不同載荷下軸承保持架質(zhì)心運動軌跡

圖4分別為單、雙列圓柱滾子軸承在不同大小徑向載荷作用下，保持架質(zhì)心運動軌跡對比圖，觀察圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，在徑向載荷達到3000 Nm時，保持架質(zhì)心的運動范圍發(fā)生了明顯收縮，表明在該載荷下，保持架的運動狀態(tài)較另外兩種載荷更為穩(wěn)定，且隨著徑向載荷的增大，質(zhì)心運動軌跡中心在Y軸負向的位移也逐漸增大。

觀察圖4(b)，雙列圓柱滾子軸承保持架質(zhì)心的運動軌跡隨徑向載荷的增大，運動范圍變化并不明顯，軸承一直保持著較為穩(wěn)定的運動狀態(tài)，但Y軸負向的位移也有明顯增大趨勢。

圖5為相同徑向載荷下單、雙列圓柱滾子軸承保持架質(zhì)心運動軌跡，對比圖5(a)、(b)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，單列軸承的 Y軸位移較雙列軸承更大，在3000 N載荷下，單雙列軸承的保持架運動軌跡較為收攏，運動狀態(tài)相對穩(wěn)定；不同載荷下的雙列軸承的運動穩(wěn)定性均高于單列軸承。

圖5 相同載荷下軸承保持架質(zhì)心運動軌跡

通過觀察圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在相同轉(zhuǎn)速下，雙列圓柱滾子軸承的運動狀態(tài)較單列軸承更容易穩(wěn)定，雙列軸承的保持架徑向位移較單列軸承也更小，表明雙列軸承能夠承受更大的徑向載荷；隨負載增加，單列軸承的運動狀態(tài)也愈發(fā)穩(wěn)定。

3.3 不同轉(zhuǎn)速下軸承保持架的質(zhì)心運動軌跡

設(shè)置軸承的徑向載荷統(tǒng)一為1000 N，軸承轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為3000 r/min、5000 r/min和8000 r/min，單、雙列軸承的質(zhì)心運動軌跡如圖6所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下軸承保持架質(zhì)心運動軌跡

圖6為在相同徑向載荷、不同轉(zhuǎn)速下單/雙列圓柱滾子軸承保持架的質(zhì)心運動軌跡，觀察圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，單列軸承質(zhì)心運動軌跡隨轉(zhuǎn)速提高有逐漸收攏跡象，表明隨轉(zhuǎn)速增加，單列軸承運動平穩(wěn)性有所提高；然而觀察圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速變化對雙列軸承的質(zhì)心運動軌跡基本沒有影響。

圖7是軸承分別在5000 r/min和8000 r/min時的單、雙列圓柱滾子軸承保持架的質(zhì)心運動軌跡對比，結(jié)合圖5(a)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在不同轉(zhuǎn)速下雙列軸承的運動穩(wěn)定性均較單列軸承有所提高；隨轉(zhuǎn)速提高，單、雙列軸承保持架質(zhì)心的運動狀態(tài)差異逐漸減小。

圖7 相同轉(zhuǎn)速下軸承保持架質(zhì)心運動軌跡

4 結(jié)語

應(yīng)用ADAMS仿真平臺對單、雙列圓柱滾子軸承進行了軸承動力學分析，研究了不同載荷和不同轉(zhuǎn)速下軸承保持架的質(zhì)心運動軌跡，獲得的主要結(jié)論如下：隨著徑向載荷的增加，軸承保持架的質(zhì)心運動軌跡逐漸向中間收攏，運動穩(wěn)定性提高；隨著軸承轉(zhuǎn)速的提高，單列軸承的質(zhì)心運動軌跡逐漸收攏，單、雙列軸承的運動穩(wěn)定性差異減??；雙列軸承的質(zhì)心徑向位移量遠低于單列軸承位移量，雙列軸承的運動穩(wěn)定性高于單列軸承。