摘要：以立軋輥及其支承的雙列圓錐滾子軸承為研究對象，通過力學(xué)分析，構(gòu)建了一種針對立軋雙列圓錐滾子支承軸承受力進(jìn)行計(jì)算的力學(xué)模型。通過對軸承滾子接觸受力與局部變形的分析，建立了復(fù)合載荷作用下軸承載荷分布與疲勞壽命的計(jì)算方法。以一個(gè)具體立軋機(jī)的立輥支承軸承為算例，深入研究了軸承的軸心位移和滾動(dòng)體受力變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對軋制過程中鋼坯變形與軸承受力進(jìn)行了耦合計(jì)算，研究了若干工藝參數(shù)對滾子接觸應(yīng)力和軸承壽命的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，軸心軌跡為不規(guī)則的橢圓，滾子與內(nèi)圈擋邊的接觸力很小，內(nèi)滾道與滾子的最大接觸應(yīng)力略大于外滾道。隨著側(cè)壓率、鋼坯厚度、鋼坯寬度以及立輥半徑的增加，滾子的最大接觸應(yīng)力逐漸增大，軸承的疲勞壽命逐漸減小。在主要軋制參數(shù)中，側(cè)壓率和鋼坯厚度的影響更為顯著。軸承兩列的載荷差值隨復(fù)合載荷的增大而增大，從而導(dǎo)致了軸承整體壽命的降低。

關(guān)鍵詞：立軋輥；圓錐滾子軸承；力學(xué)分析；疲勞壽命；耦合模型

中圖分類號：TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

立軋過程中，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和軋制力的共同作用下，支承立軋輥的雙列圓錐滾子軸承將承受徑向載荷、軸向載荷、彎矩和預(yù)緊力的復(fù)合影響，其受力十分復(fù)雜，極易引起滾動(dòng)體的疲勞破壞，導(dǎo)致軸承失效。對支承軸承進(jìn)行力學(xué)分析，建立精確的接觸力學(xué)、疲勞壽命計(jì)算方法并研究影響滾動(dòng)軸承疲勞壽命的因素十分必要。

為了分析圓錐滾子軸承的接觸載荷分布，學(xué)者們開展了大量的研究。楊霞等[1] 將軋機(jī)四列圓錐滾子軸承的多體接觸問題簡化為兩體接觸問題，采用包含子單元和微單元的三維彈性接觸邊界元法研究了軸承的載荷分布。劉光明等[2-3] 建立了耦合軋件、軋輥、支承輥軸承以及軸承座的四輥軋機(jī)三維有限元模型，研究了咬入、穩(wěn)定軋制和拋鋼階段各列滾動(dòng)體的受力，分析了工藝參數(shù)對載荷分布和板凸度的影響。陳強(qiáng)等[4] 采用Hertz 彈性理論建立了單個(gè)圓錐滾子軸承的分析模型，得到了各個(gè)滾子沿長度方向的接觸應(yīng)力分布。Yang 等[5] 通過擴(kuò)展三自由度理論，提出了雙列圓錐滾子軸承在外載荷和角偏差共同作用下的綜合分析方法。Cheng 等[6] 基于Abaqus軟件和Hertz 理論，建立了高速動(dòng)車組軸箱雙列圓錐滾子軸承的力學(xué)模型，分析了軸承的載荷分布和接觸應(yīng)力。Majdoub 等[7]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法研究了圓錐滾子軸承的滾子偏斜問題，分析了負(fù)載、轉(zhuǎn)速、油溫和潤滑劑類型對偏斜的影響。吝水林等[8-9]基于柔度矩陣法研究了軋機(jī)偏載對滾動(dòng)軸承力學(xué)特性的影響，采用非對稱對數(shù)曲線優(yōu)化了滾子母線。

近年來，學(xué)者們又進(jìn)一步對滾子軸承的壽命問題進(jìn)行了研究。李震等[10] 將坐標(biāo)向量運(yùn)算應(yīng)用于雙列圓錐滾子軸承的擬靜力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下軸承內(nèi)部載荷分布和疲勞壽命的精確快速計(jì)算。Tong 等[11-12] 研究了圓錐滾子直徑誤差對軸承內(nèi)部載荷分布和疲勞壽命的影響，假定直徑誤差符合正態(tài)分布，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)描述了軸承壽命與直徑誤差的關(guān)系。針對同時(shí)承受徑向和軸向載荷的圓錐滾子軸承，Dragoni 等[13] 分析了軸承基本額定壽命與滾子尺寸的關(guān)系，給出了軸承額定壽命最大時(shí)的滾子接觸角。Quagliato 等[14] 采用Archard 磨損和Lemaitre損傷模型對滾子軸承的磨損行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)軸承因負(fù)載和磨損產(chǎn)生的跳動(dòng)量對軸承的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了預(yù)測，并利用壽命實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Gupta 等[15] 對滾子軸承進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)力承載分析，建立了僅與次表面最大正交剪切應(yīng)力和應(yīng)力體積有關(guān)的壽命模型，分別研究了圓柱滾子軸承和球滾子軸承在低接觸應(yīng)力下的疲勞壽命。Zheng等[16-17]對支撐大型直驅(qū)風(fēng)力渦輪機(jī)主軸的雙列圓錐滾子軸承進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析，考慮了軸承內(nèi)環(huán)和外環(huán)的角度偏差以及滾子與滾道的摩擦力，通過數(shù)值模擬研究了振蕩外載荷、振蕩速度、角偏差和內(nèi)部間隙對軸承疲勞壽命的影響。

綜上所述，這些研究往往僅針對軸承本身，缺乏對整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的綜合分析。實(shí)際工況下，立軋輥支承軸承將承受以軋制力為主的復(fù)合載荷的作用，如不能對軸承的壽命進(jìn)行精確預(yù)測，就很難對立軋機(jī)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。為此，本文研究了雙列圓錐滾子支承軸承在立軋過程中的力學(xué)行為，建立了精確計(jì)算滾動(dòng)體受力與軸承疲勞壽命的理論模型。在此基礎(chǔ)上，對鋼坯-立輥-支承軸承系統(tǒng)進(jìn)行了耦合分析，深入研究了復(fù)合載荷作用下，軸承接觸應(yīng)力和使用壽命隨側(cè)壓率、鋼坯尺寸、立輥半徑等工藝參數(shù)的變化規(guī)律。