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克威迩工业设备(常州)有限公司
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螺栓预紧力对转盘轴承内部载荷分布的影响研究

螺栓预紧力对转盘轴承内部载荷分布的影响研究

  • 分类:行业新闻
  • 作者:侯光辉,陈观慈,李 超,温 戈,王存珠 (昆明理工大学 机电工程学院 昆明 650500)
  • 来源:《机械制造》2018年7月
  • 发布时间:2021-04-21
  • 访问量:0

【概要描述】

螺栓预紧力对转盘轴承内部载荷分布的影响研究

【概要描述】

  • 分类:行业新闻
  • 作者:侯光辉,陈观慈,李 超,温 戈,王存珠 (昆明理工大学 机电工程学院 昆明 650500)
  • 来源:《机械制造》2018年7月
  • 发布时间:2021-04-21
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摘要:通过弹簧单元和杆单元模拟轴承滚动体与沟道间的接触,对螺栓进行简化,并采用预紧力 单元法施加螺栓预紧力,建立带有螺栓的转盘轴承有限元模型,研究非均布预紧力对转盘轴承内部载荷 分布的影响。研究结果表明:滚动体与沟道之间的的最大接触载荷与螺栓预紧力成正比,非均布螺栓预 紧力能够减小滚动体的最大接触载荷,进而为安装转盘轴承提供理论支持。

1 研究背景 

    转盘轴承是大中型机械中的关键部件,能够同时 承受较大的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩等,集支 承、旋转、传动、固定等多种功能于一身,属于特殊结 构大型轴承。大多数转盘轴承通过螺栓进行连接,在 工作中会受到频繁的冲击载荷和振动的影响,一旦失 效将会造成重大经济损失,甚至会危及工作人员生命 安全[1-3] 。 

    螺栓预紧力影响螺栓的强度,螺栓的强度则影响 转盘轴承的连接与固定,进而影响转盘轴承内部载荷 的分布。 

    目前,国内外学者对转盘轴承的螺栓连接进行了 诸多研究。文献[4]将转盘轴承的滚动体简化为杆单 元,将螺栓简化为梁单元,将支撑结构简化为钢圈,采 用 ADINA 有限元软件分析了螺栓数量及等级对转盘 轴承力学性能的影响。文献[5-6]研究了螺栓均布预 紧力对双排四点接触球轴承滚动体接触载荷分布的 影响,其中滚动体与沟道间的接触采用非线性弹簧单 元代替,螺栓则简化为杆单元。文献[7-9]将滚动体简 化为两根非线性弹簧单元和八根杆单元,采用滚动体 的简化方法来模拟接触载荷和接触角,研究了转盘轴 承的力学性能和承载寿命。文献[10]采用降温施加预 紧力的方法,研究了有螺栓与无螺栓对转盘轴承接触 载荷分布的影响,以及均布预紧力对转盘轴承接触载 荷分布的影响。文献[11-12]对螺栓进行简化,忽略螺 栓头、螺母和螺纹等因素,只保留螺栓杆,并将螺栓与 轴承和支撑结构之间的接触摩擦简化为蜘蛛网状的 螺栓连接,研究了螺栓数量和均布预紧力对转盘轴承 承载及寿命的影响。    目前,关于螺栓预紧力对转盘轴承影响的研究较 多,但是主要集中在对均布预紧力的研究,而关于非均 布预紧力的研究则相对较少。 

    笔者建立了有螺栓的转 盘轴承试验 台有限元模 型,分析了均布预紧力对滚动体最大接触载荷的影响, 再根据转盘轴承载荷分布的特性,改变滚动体最大接 触载荷位置处的螺栓预紧力,研究非均布预紧力对转 盘轴承最大载荷分布的影响。

2 转盘轴承有限元简化模型 

2.1 建模 

    试验台的简化模型[13] 如图 1 所示。

    由于单排四点接触球轴承及其安装结构的尺寸较 大,滚动体和螺栓的数量多,因此在有限元分析时会产 生大量的单元,并在滚动体与轴承套圈装配、螺栓与被 连接件间会产生大量的接触对, 大大增加接触分析与 计算的时间,而且会加大非线性计算收敛的难度。为了 缩短计算时间、提高收敛性,在有限元建模时忽略结构 倒角、保持架、密封圈等因素的影响,并对滚动体和螺 栓连接进行简化,如图 2 和图 3 所示。

    滚动体采用刚性杆单元和非线性弹簧单元模拟, 每个滚动体都由八根刚性杆单元和两根非线性弹簧单 元代替。图 2 中 Ci1、Ci2、Ce1 和 Ce2 为轴承的外圈和内圈 沟道曲率中心, 曲率中心对角之间用两根非线性弹簧 单元连接, 曲率中心与沟道之间用八根刚性杆单元连 接。根据赫兹接触理论计算滚动体与沟道的位移载荷 关系,确定弹簧单元的位移载荷关系。 

    对于螺栓连接的简化,笔者只保留螺栓杆。在螺栓 杆两个端面中心分别建立一个主节点, 通过主节点将螺栓端面上的节点和螺栓等效套圈端面上的节点耦合 在一起,形成蜘蛛网状连接。采用预紧力单元法施加螺 栓预紧力, 采用螺栓预紧单元命令在螺栓杆的中间截 面处定义预紧力截面。此截面会将划分好的网格螺栓 杆分成两部分,并在截面处生成预紧力单元。将预紧力 施加在预紧力单元上, 通过蜘蛛网状连接实现轴承与 螺栓之间力的传递。 

    以型号为 787/434G2 的单排四点接触球转盘轴承 为研究对象,其参数见表 1。

2.2 边界条件与坐标系 

    转盘轴承试验台施加载荷及计算坐标系如图 4 所 示。转盘轴承关于 X 轴对称,笔者只对-180~0°位置处 的滚动体相关结果进行提取和进一步转化。液压缸位 置在 X 轴的正方向,其拉力方向垂直于纸面向里。根 据试验台有限元模型的加载方式, 转盘轴承的边界条 件定义如下:① 底座底面为固定约束;② 在柱坐标系 下,限制非线性弹簧单元两端节点的旋转自由度,进而 限制滚动体的周向转动;③ 在液压缸作用点处施加拉 力载荷;④ 上下法兰与轴承之间建立接触对单元;⑤ 螺栓施加预紧力。

3 结果分析 

3.1 均布螺栓预紧力 

    在液压缸处施加 65 kN 拉力, 对轴承在受轴向力 65 kN、倾覆力矩 117 kN·m 时均布螺栓预紧力对转盘 轴承接触载荷分布的影响进行研究。M18 螺栓的屈服 极 限 载 荷 为 184 kN[14] ,分 别 对 螺 栓 施 加 30%、60%、90%屈服极限载荷, 即预紧力为 55.2 kN、110 kN、166 kN,轴承滚动体的接触载荷分布如图 5 所示。图 5 中 Q1、Q2 为简化滚动体的两根弹簧, 大部分滚动体是两 点接触,少部分滚动体是四点接触。

    由图 5 可知, 轴 承滚动体与 沟道的接触 载荷曲 线整体呈现余弦分布, 局部呈现锯齿状。在转盘轴 承-180~-145.96°、-28.8~0°位置处,随着螺栓预紧力 的增大,滚动体的接触载荷增大。在-145.96~-28.8°位 置处, 随着螺栓预紧力的增大, 滚动体的接触载荷减 小。由图 6 可知,滚动体的最大接触载荷随预紧力的增 大而增大。因为随着预紧力的增大,内圈与下法兰、下 支撑,外圈与上法兰、横梁的连接更加紧密,倾覆力矩 更有效地进行传递, 倾覆力矩方向周围的滚动体所承 受的载荷增大, 倾覆力矩轴线附近滚动体所承受的载 荷减小。

3.2 非均布螺栓预紧力 

    笔者基于螺栓数量和预紧力两种情况分析非均布 螺栓预紧力对转盘轴承接触载荷分布的影响, 用“o” “+”表示螺栓的位置。情况一是“+”处的螺栓数量不 变,改变螺栓预紧力的大小。情况二是“+”处的螺栓预紧力不变,改变螺栓数量。 

(1) 情况一。根据均布预紧力对转盘轴承载荷分 布影响的规律, 滚动体的接触载荷具有规律变化的位 置是-145.96°、-28.8°、28.8°、145.96°。根据这四个滚动 体位置对应的螺栓位置, 将螺栓分布为图 7 所示的四 部分。“o”位置的螺栓施加 184 kN 的预紧力,“+”位置 的螺栓施加不同的预紧力。

    由图 8 可知,随着“+”处螺栓预紧力的增大,滚动 体最大接触载荷出现在-145.96~-180°位置处的滚动 体 上 , 且 对 转 盘 轴 承-180°附 近 的 滚 动 体 接 触 载 荷 有 较 大 影响。由图 9 可知, 随着“+”处螺栓预紧 力的不断增大,滚动 体 的 最 大 接 触 载 荷 先 减 小 后 增 大 , “+ ” 处 螺 栓 预 紧 力 为 92 kN 时, 滚 动 体 的 最 大接触载荷最小。因为“+”位置处受到的倾覆力矩较大,是主要的承载区 域, 所以过大或过小的螺栓预紧力会使连接处过紧或 过松,导致该处的滚动体受力增大。适当减小该位置的 预紧力,可改变滚动体的受力状况,使滚动体的最大接 触载荷减小。

(2) 情况二。对“+”处施加 92 kN 螺栓预紧力,“o” 处施加 184 kN 螺栓预紧力,改变“+”处螺栓数量,研究 在这一情况下转盘轴承滚动体接触载荷分布的影响, 如图 10 所示。在不同螺栓数量下的滚动体最大接触载 荷和最大接触载荷出现位置见表 2。 

    由表 2 可知,随着左右“+”处螺栓数量的增加,最 大接触载荷先减小后增大,最后趋于不变。其中,左右 “+”处螺栓数量为 7 时,最大接触载荷最小。最大接触 载荷出现的位置变化后稳定在-178.04°。通过这种改 变不同螺栓数量的非均匀预紧加载方式, 可以减小最 大接触载荷。

4 结论 

    笔者先后研究了螺栓均布预紧力和非均布预紧力 对转盘轴承内部载荷分布的影响, 同时为转盘轴承的 螺栓连接提供了一种新的预紧方法。单排四点接触球轴承滚动体的载荷曲线整体呈现 余弦分布, 滚动体的最大接触载荷与螺栓预紧力成正 比。

    在 转 盘 轴 承 -180 ~-145.96° 、-28.8 ~0°位 置 处 , 随 着 螺 栓 预 紧 力 的 增 大, 滚 动 体 的 接 触 载 荷 增 大。在-145.96~-28.8°位置处,随着螺栓预紧力的增大,滚 动体的接触载荷减小。 

    螺栓数量与非均布预紧力适当改变, 可以减小滚 动体与沟道之间的最大接触载荷。

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