牛濤

摘 要：針對(duì)深溝球軸承內(nèi)圈在工作過(guò)程中出現(xiàn)共振的問(wèn)題，利用有限元軟件Wokbench對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率和振型，從而避開(kāi)共振區(qū)域，減少內(nèi)圈失效率，提高軸承內(nèi)權(quán)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：內(nèi)圈;模態(tài)分析;軸承

引言

目前隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，大量的機(jī)械設(shè)備投入使用，深溝球軸承作為目前工業(yè)設(shè)備中的重要的轉(zhuǎn)動(dòng)零件之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單由一個(gè)外圈，一個(gè)內(nèi)圈、一組鋼球和一組保持架組成。滾動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、風(fēng)電、機(jī)床設(shè)備及國(guó)防事業(yè)中，是起著支撐其它零部件和保證傳動(dòng)精度作用的核心元件，同時(shí)也是旋轉(zhuǎn)設(shè)備中最易損壞的零部件之一。在外部環(huán)境干擾下引起振動(dòng)從而導(dǎo)致滾動(dòng)軸承內(nèi)圈微小的斷裂現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工作等到軸承故障不斷的嚴(yán)重化，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)而降低了工作效率甚至?xí)l(fā)較大的安全事故，造成巨大的的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。若對(duì)其進(jìn)行有限元模態(tài)分析得到內(nèi)圈固有頻率，再對(duì)其進(jìn)行故障診斷得到內(nèi)圈失效頻率，進(jìn)行優(yōu)化。從而提高振動(dòng)對(duì)滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的影響能夠，使內(nèi)圈性能提高，進(jìn)而改善滾動(dòng)軸承整體性能。

本文以6210深溝球的內(nèi)圈研究對(duì)象，首先利用三維建模軟件UG建立幾何模型，其次利用有限元軟件Workbench建立深溝球振動(dòng)模型，進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率。其如圖1所示深溝球軸承。

1.深溝球的模態(tài)分析

在實(shí)際工作中深溝球的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)內(nèi)圈與傳動(dòng)軸之間的過(guò)盈配合來(lái)傳遞的，即通過(guò)內(nèi)圈內(nèi)表面與傳動(dòng)構(gòu)件表外面的接觸來(lái)傳遞扭矩。內(nèi)圈與滾動(dòng)體、滾動(dòng)體與外圈存在非線性接觸，為了避免接觸帶來(lái)的求解誤差，單獨(dú)對(duì)深溝球內(nèi)圈進(jìn)行模態(tài)分析。本文選取應(yīng)力分布更均衡的6210深溝球?qū)隬orkBench進(jìn)行模態(tài)分析，并且選運(yùn)用Workbench軟件模態(tài)分析中的子空間迭代法，進(jìn)行固有頻率與振型的有限元求解。

1.1建立三維模型

深溝球內(nèi)圈模型相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)表1中6210深溝球數(shù)據(jù)采用三維軟件UG對(duì)內(nèi)圈進(jìn)行幾何模型建立?？紤]到一些工藝角不會(huì)影響深溝球模態(tài)分析的結(jié)果，為了方便求解和網(wǎng)格的劃分不會(huì)對(duì)工藝角進(jìn)行幾何建模，如圖2所示內(nèi)圈三維模型。

1.2網(wǎng)格的處理

目前國(guó)內(nèi)外主流有限元網(wǎng)格模型分六面體和四面體網(wǎng)格，其中六面體網(wǎng)格求解精度高但是對(duì)于復(fù)雜的模型不利于劃分或者劃分網(wǎng)格周期長(zhǎng)，而四面體網(wǎng)格劃分時(shí)間短但求解精度低?？紤]到深溝球內(nèi)圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且工藝角并沒(méi)有三維建模、所以對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，得到5400個(gè)單元，內(nèi)軸被劃分為個(gè)25815節(jié)點(diǎn)，5268個(gè)單元，這樣基本滿足計(jì)算需要。如圖所示為深溝球內(nèi)圈網(wǎng)格模型。

1.2材料設(shè)置與約束條件

材料設(shè)置：目前深溝球內(nèi)圈的材料選擇GCr15，彈性模量為2.1×1011Pa，密度為7.80×103kg/m3，泊松比為0.3。

約束條件：根據(jù)深溝球的工作原理可知，深溝球是通過(guò)內(nèi)圈與傳動(dòng)軸之間的過(guò)盈配合來(lái)傳遞的，即通過(guò)內(nèi)圈內(nèi)表面與傳動(dòng)構(gòu)件表外面的接觸來(lái)傳遞扭矩，既內(nèi)圈保證其軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。依據(jù)實(shí)際情況在有限元軟件Workbench中約束內(nèi)圈內(nèi)表面（A面）與外表面（B面）的X，Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，約束Z方向的移動(dòng)，施放Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示約束模型：

1.3模態(tài)結(jié)果

完成幾何模型的建立，模型網(wǎng)格的劃分、材料的附屬、約束的設(shè)置之后，對(duì)內(nèi)圈進(jìn)行求解。? 在Workbench有限元軟件中，求解方法歸結(jié)為六種，分別是：Block Lanczos、PCG Lanczons、Supernode、Unsymmetric、Damped和QR damped。通常選擇求解精度高且速度快求解器方式進(jìn)行求解，既Block Lanczos求解方法，得到數(shù)據(jù)如圖4所示：

2 結(jié)論

使用UG軟件對(duì)6210深溝球軸承內(nèi)圈進(jìn)行建模，并導(dǎo)入到Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)增加而增加，由于1階固有頻率1.84e-003Hz，2階及其之后的固有頻率1602.4Hz，在軸承內(nèi)圈工作過(guò)程中不易發(fā)生共振。利用模態(tài)分析避開(kāi)固有頻率，但在軸承工作過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)圈失效頻率為接下來(lái)研究目標(biāo)。

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