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椭圆滚道回转支承力学性能分析

发布时间:2014-8-14 8:44:50                  点击次数:2330 次

椭圆滚道回转支承力学性能分析

1 引言

     回转支承是一切两部分之间需作相对转动,又需同时承受轴向载荷、倾覆力矩和径向载荷的机械必须的重要传力元件。随着主机行业的迅速发展,回转支承得到了广泛的应用。如何有效的提高回转支承的承载能力,成为了各生产厂家最关注的问题,也是众多学者们研究的热点问题之一。为了提高回转支承的承载能力,适应市场需求,马鞍山统力回转支承有限公司成功研制出了椭圆滚道的单排球式回转支承产品,并于2006年03月30日申请了国家发明专利。该回转支承主要特点是将单排球式回转支承的滚道型式改为椭圆形,其余参数与圆形滚道回转支承相同。椭圆滚道的长半轴、短半轴参数可以根据钢球曲率半径、滚道与钢球接触点的曲率半径和接触角计算出。其简图如图1所示。

    在低速重载下工作的回转支承[1],由于尺寸较大,滚动体与内、圈的接触变形加大,滚道体的接触状态复杂,通过传统的赫兹接触理论计算很难得到整个应力场的分布情况。采用有限方法,利用计算软件对其力学性能进行分析研究是一种较为理想的方法,目前还没有研究人员通过建立回转支承整体的有限元模型进行过研究。因此,本文利用功能强大的ANSYS软件,对同种型号的椭圆滚道和圆形滚道单排球式回转支承分别建立了整体的有限模型,进行了力学性能计算与分析,为今后回转支承的设计和优化提供参考依据。

2 分析计算过程

2.1有限元模型的建立

      利用三维CAD软件,严格按照图纸尺寸和《中华人民共和国机械行业标JB/T2300-1999》分别建立了型号为010.20.200的椭圆滚道和圆形滚道回转支承的三维实体模型,以保证模型结构符合真实的形状、尺寸及布置,小球个数为24个。在不影响回转支承结构、刚度真实性的前提下,建立三维实体模型时,对某些部位做适当的简化,如不考虑密封圈的影响等,模型如图2所示。将建立好的实体模型导入ANSYS环境中,选用solid45单元进行网格划分,为使计算结果更加可靠并考虑到计算规模对计算机的要求,对网格做如下处理[2]:将小球分成内外两部分,与滚道接触的部分采用六面体网格划分,球体内部采用四面体网格划分,并对内外圈与滚动体接触部位网格划分进行人工干预,采用手动网格划分技术,进行了网格细化程序处理,保正接触区域的网格密度能够满足计算精度的要求,有限元模型如图3所示。定义弹性模量为2.1*1011Pa,泊松比μ=0.3 。

              

     运用ANSYS的面-面接触问题分析功能,确定为柔体-柔体接触,以内、外圈滚道表面作为目标面,滚道体表面作为接触面。接触单元类型选为CONTA174,目标单元类型选为TARGE170,共建立了48个接触对,这样可以有效的模拟滚动体与内、圈的接触行为。

2.2 施加约束及载荷

     对应回转支承不同的安装方法,在施加约束时,可以对内圈内表面施加全约束,也可以对外圈外表面施加全约束,本文中采用第一种约束方法。
     回转支承在使用过程中,所承受的作用力包括总轴向力 、总倾覆力矩 以及在力矩作用平面内的总径向力 ,  对于不同的应用场合,由于主机的工作方式及结构形式不同,上述三种载荷的作用组合情况将会有所变化,但大多数回转支承在实际应用中总径向力 很小(往往小于0.1 ),所以回转支承主要承受轴向力和倾覆力矩。本文中选取了《中华人民共和国机械行业标JB/T2300-1999》中的010.20.200型回转支承承载能力曲线进行了计算分析,即研究回转支承在最大轴向载荷和最大倾覆力矩作用下的机械应力,故加载时取Fa=55*104N 和M=2.3*104N·m 。所施加的约束及载荷如图4所示。
                     
                                          图4 回转支承施加约束和载荷模型
      对于同种型号的圆形滚道回转支承采用与椭圆滚道回转支承相同的建模方法,建立其有限元计算模型,并施加与椭圆滚道回转支承相同的约束和载荷。

3 计算结果

3.1 轴向载荷计算结果

     由图5可知,在Fa=55*104N的轴向载荷作用下,最大Mises应力发生在内圈,对椭圆滚道而言最大值为917.8Mpa,圆形滚道的最大值为1309Mpa。
                    
                
                                     图5 轴向载荷作用下的Mises应力云图

 3.2 倾覆力矩计算结果

     由图6可知,在M=2.3*104N·m的倾覆力矩作用下,最大Mises应力也发生在内圈,对椭圆滚道而言最大值为1062Mpa,圆形滚道的最大值为1387Mpa。
                        
                 

                                     图6 倾覆力矩作用下的Mises应力云图
 
3.3 椭圆滚道与圆形滚道计算结果对比

从表1中的数据可以看出,在同种载荷作用下,椭圆滚道回转支承的Mises应力比圆形滚道回转支承的Mises应力要小,且降低的幅度较大,在28%左右。
表1椭圆滚道与圆形滚道的计算结果

     应力
载荷
内圈最大mises应力(Mpa)
外圈最大mises应力(Mpa)
椭圆
圆形
降幅
椭圆
圆形
降幅
Fa=55*104N
917.8
1309
29.9%
910.9
1266
28%
M=2.3*104N·m
1062
1387
23.4%
891
1284
30.6%

4 结论

      回转支承的失效形式有两种[3],一是滚道损坏,二是断齿,而滚道损坏占的比例达98%以上,评判材料是否产生塑性屈服失效的一个重要准则就是Mises屈服准则。因此本文着重分析计算了回转支承的应力分布,得到了最大Mises应力值,由上述计算结果可以得出以下结论:
(1)不同滚道形状对回转支承的承载能力影响较大,椭圆滚道的Mises应力比圆形滚道的Mises应力要小,也就是说椭圆滚道回转支承的承载能力比圆形滚道回转支承的承载能力要高。提高的幅度大约在28%左右。
(2)利用三维有限元软件ANSYS能够直观、方便的获得内、外圈等各不同部位的应力分布云图,便于更加充分的了解回转支承整个结构的应力分布情况。为以后进一步全面研究回转支承(尤其是椭圆滚道回转支承)的力学性能提供了可信的依据。
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