橢圓滾道回轉支承力學性能分析《建筑機械》2010年第九期

　　侯寧1，許麗華1，汪敏2，戚曉利2，童靳于2，潘天成2，馮建有2
（1.馬鞍山統力回轉支承有限公司 安徽 馬鞍山 243022；
2.安徽工業大學 機械工程學院 安徽 馬鞍山 243022；）
摘要：建立了橢圓滾道及圓形滾道回轉支承的整體有限元模型，利用ANSYS軟件對這兩種滾道形狀的回轉支承進行了力學性能的分析計算。計算結果表明，在同種工況下橢圓滾道回轉支承的承載能力較圓形滾道回轉支承有明顯的提高，提高的幅度在28%左右。
關鍵詞：橢圓滾道；回轉支承；力學性能

　　1 引言
回轉支承是一切兩部分之間需作相對轉動，又需同時承受軸向載荷、傾覆力矩和徑向載荷的機械必須的重要傳力元件。隨著主機行業的迅速發展，回轉支承得到了廣泛的應用。如何有效的提高回轉支承的承載能力，成為了各生產廠家最關注的問題，也是眾多學者們研究的熱點問題之一。為了提高回轉支承的承載能力，適應市場需求，馬鞍山統力回轉支承有限公司成功研制出了橢圓滾道的單排球式回轉支承產品，并于2006年03月30日申請了國家發明專利。該回轉支承主要特點是將單排球式回轉支承的滾道型式改為橢圓形，其余參數與圓形滾道回轉支承相同。橢圓滾道的長半軸、短半軸參數可以根據鋼球曲率半徑、滾道與鋼球接觸點的曲率半徑和接觸角計算出。其簡圖如圖1所示。
在低速重載下工作的回轉支承[1]，由于尺寸較大，滾動體與內、圈的接觸變形加大，滾道體的接觸狀態復雜，通過傳統的赫茲接觸理論計算很難得到整個應力場的分布情況。采用有限方法，利用計算軟件對其力學性能進行分析研究是一種較為理想的方法，目前還沒有研究人員通過建立回轉支承整體的有限元模型進行過研究。因此，本文利用功能強大的ANSYS軟件，對同種型號的橢圓滾道和圓形滾道單排球式回轉支承分別建立了整體的有限模型，進行了力學性能計算與分析，為今后回轉支承的設計和優化提供參考依據。

圖1 橢圓滾道回轉支承簡圖

　　2、分析計算過程2.1有限元模型的建立利用三維CAD軟件，嚴格按照圖紙尺寸和《中華人民共和國機械行業標JB/T2300－1999》分別建立了型號為010.20.200的橢圓滾道和圓形滾道回轉支承的三維實體模型，以保證模型結構符合真實的形狀、尺寸及布置，小球個數為24個。在不影響回轉支承結構、剛度真實性的前提下，建立三維實體模型時，對某些部位做適當的簡化，如不考慮密封圈的影響等，模型如圖2所示。將建立好的實體模型導入ANSYS環境中，選用solid45單元進行網格劃分，為使計算結果更加可靠并考慮到計算規模對計算機的要求，對網格做如下處理[2]：將小球分成內外兩部分，與滾道接觸的部分采用六面體網格劃分，球體內部采用四面體網格劃分，并對內外圈與滾動體接觸部位網格劃分進行人工干預，采用手動網格劃分技術，進行了網格細化程序處理，保正接觸區域的網格密度能夠滿足計算精度的要求，有限元模型如圖3所示。定義彈性模量為Pa，泊松比μ=0.3。

　　運用ANSYS的面-面接觸問題分析功能，確定為柔體-柔體接觸，以內、外圈滾道表面作為目標面，滾道體表面作為接觸面。接觸單元類型選為CONTA174，目標單元類型選為TARGE170，共建立了48個接觸對，這樣可以有效的模擬滾動體與內、圈的接觸行為。

　　2.2 施加約束及載荷
對應回轉支承不同的安裝方法，在施加約束時，可以對內圈內表面施加全約束，也可以對外圈外表面施加全約束，本文中采用第一種約束方法。
回轉支承在使用過程中，所承受的作用力包括總軸向力 、總傾覆力矩 以及在力矩作用平面內的總徑向力 ，對于不同的應用場合，由于主機的工作方式及結構形式不同，上述三種載荷的作用組合情況將會有所變化，但大多數回轉支承在實際應用中總徑向力 很?。ㄍ∮?.1 ），所以回轉支承主要承受軸向力和傾覆力矩。本文中選取了《中華人民共和國機械行業標JB/T2300－1999》中的010.20.200型回轉支承承載能力曲線進行了計算分析，即研究回轉支承在最大軸向載荷和最大傾覆力矩作用下的機械應力，故加載時取 和 。所施加的約束及載荷如圖4所示。

　　對于同種型號的圓形滾道回轉支承采用與橢圓滾道回轉支承相同的建模方法，建立其有限元計算模型，并施加與橢圓滾道回轉支承相同的約束和載荷。
3 計算結果
3.1 軸向載荷計算結果
由圖5可知，在 的軸向載荷作用下，最大Mises應力發生在內圈，對橢圓滾道而言最大值為917.8Mpa，圓形滾道的最大值為1309Mpa。
3.2 傾覆力矩計算結果
由圖6可知，在 的傾覆力矩作用下，最大Mises應力也發生在內圈，對橢圓滾道而言最大值為1062Mpa，圓形滾道的最大值為1387Mpa。
3.3 橢圓滾道與圓形滾道計算結果對比
從表1中的數據可以看出，在同種載荷作用下，橢圓滾道回轉支承的Mises應力比圓形滾道回轉支承的Mises應力要小，且降低的幅度較大，在28%左右。

（a） 橢圓滾道內圈Mises應力云圖 　　　　　　　　　?。╞） 圓形滾道內圈Mises應力云圖 

（c） 橢圓滾道外圈Mises應力云圖　　　　　　　　　　　　 （d） 圓形滾道外圈Mises應力云

圖5 軸向載荷作用下的Mises應力云圖

（a） 橢圓滾道內圈Mises應力云圖　　　　　　　　　?。╞） 圓形滾道內圈Mises應力云圖

圖6 傾覆力矩作用下的Mises應力云圖

　　4 結論
回轉支承的失效形式有兩種[3]，一是滾道損壞，二是斷齒，而滾道損壞占的比例達98%以上，評判材料是否產生塑性屈服失效的一個重要準則就是Mises屈服準則。因此本文著重分析計算了回轉支承的應力分布，得到了最大Mises應力值，由上述計算結果可以得出以下結論：
（1）不同滾道形狀對回轉支承的承載能力影響較大，橢圓滾道的Mises應力比圓形滾道的Mises應力要小，也就是說橢圓滾道回轉支承的承載能力比圓形滾道回轉支承的承載能力要高。提高的幅度大約在28%左右。
（2）利用三維有限元軟件ANSYS能夠直觀、方便的獲得內、外圈等各不同部位的應力分布云圖，便于更加充分的了解回轉支承整個結構的應力分布情況。為以后進一步全面研究回轉支承（尤其是橢圓滾道回轉支承）的力學性能提供了可信的依據。
參考文獻
[1]徐立民，陳卓.回轉支承[M].合肥：安徽科學技術出版社，1988.
[2]王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2004
[3]侯寧.影響回轉支承承載能力的四個參數[J].建筑機械，2002（1）：21-22.