向心关节轴承的结构优化

日期：2019-05-10

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作为通用零部件，关向心节轴承具有转动灵活、结构紧凑、易于装拆等特点，能够满足重载荷和长寿命要求，已广泛应用于矿山、冶金、电力、交通、航天和纺织等各类机械设备[1]．我国针对关节轴承的研究及相应的工业生产起步较晚，一般通过参考国外数据或根据实际经验确定相关技数，缺乏科学依据．基于此，我们将大型有限元分析软件ANSYS用于对向心关节轴承GEZ101ES进行有限元分析，在保持其它与装配相关的参数尺寸不变的情况下，通过优化关节轴承球径尺寸，使向心关节轴承承受应力的分布更合理，以实现优化设计，提高关节轴承寿命[2叫]．

实验部分1 结构优化ANSYS程序是一个功能强大、集设计分析及优化于一体的大型通用有限元分析软件．在设计方案被采用或投产之前，利用ANSYS程序的优化设计功能，可准确地找出其潜在的设计缺陷或确定最佳几何外形，缩短多样机制造一测试一再制造的研制周期，并降低生产成本．选用福建龙溪轴承股份有限公司通过引进国外技术研制的向心关节轴承作为研究对象，其外圈与内圈均经GCrl5轴承钢淬硬，弹性模量为212 GPa，泊松比0．29，密度为7．8 g／cm。，抗拉强度2 155 MPa，抗压强度为3 725 MPa．图1示出了GEZ101ES向心关节轴承的结构示意图．为了使模拟更加接近现实情况，在模型的内部引入一根轴．由于向心关节轴承具Fig 1 Schematic diagram of radial spherical plain bearing图l 向心关节轴承结构示意图有结构对称的特点，故在创建有限元结构模型时，仅取整体结构的1／4进行模拟．

关节轴承的有限元分析采用实体建模，应用四面体1O节点的实体单元SOLID92，其具有、Y、z等3个方向的自由度，适合于不规则的几何外形模拟，而且计算精度较高．在进行自由网格划分时产生的节点和网格单元的数量可有所不同；有限元网格划分较密，以便更清晰地显示向心关节轴承的应力集中区域．GEZ101ES向心关节轴承为转向多功能轴承，受力情况较为复杂，故在进行有限元分析时必须进行简化．由于径向载荷是影响GEZ101ES向心关节轴承承载力和使用寿命的主要因素，因此主要考虑径向载荷作用；而关节轴承服役条件下，旋转或摆动的速率基金项且；航空科学基金资助项目(04G52044)．极慢，大多数情况下每分钟不超过6转(摆次)，因此对关节轴承进行有限元分析时可采用准静态模型．与此同时，关节轴承具有对称结构，为了减少计算量，ANSYS规定可以取整体结构的1／4进行计算．以GEZ101ES的球径为基准尺寸，依次取球径尺寸的改变量分别为0，+0．5 mm，+1．0 mm，+1．5 mm，- 0．5 mm，一1．0 mm，一1．25 mm，一1．5 mm(0表示原始尺寸不变，正号表示尺寸增加，负号表示尺寸减小)，分别进行求解．

由于关节轴承在服役条件下承受压应力，失效源于压应力作用下的接触疲劳，因此本文主要计算轴承所受的最大压应力；在保持装配相关尺寸不变的条件下，通过改变关节轴承的球径尺寸来计算轴承所受的最大压应力的变化．图2示出了GEZ101ES向心关节D change quantity／ramFig 2 The 3rd primary stress s．variation ofspherical diameter for GEZ101ES图2 压应力随轴承球径尺寸变化的关系曲线轴承的第三向主应力0"3 的绝对值(即最大压应力)随球径尺寸D 变化的关系曲线．可以看出，关节轴承所受最大压应力与球径尺寸的变化密切相关．当球径尺寸从0．0 mm增加到1．5 mm时，关节轴承所受最大压应力增加量较大；而当球径尺寸从0．0 mm减小到一1．5 mm时，最大压应力出现波动，这取决于结构非线性．当球径尺寸减小量为1．0 mm时，关节轴承所受最大压应力最小．向心关节轴承的材质为淬火加低温回火GCrl5钢，其组织为回火马氏体，为脆性材料，故应选用第一强度理论或第二强度理论进行校核．鉴于第一强度理论形式简单，且不影响计算结果，因此本文采用第一强度理论进行校核，即。≤[ ]，或≤[ v]( 。为第一向主应力，。为第三向主应力)．当原始数据不变(UP改变量为0 mm)时，轴承整体最大压应力(第三向主应力0"3rain绝对值的最大值)为l 。血l一1 623．4 MPa；而当球径尺寸减小1 mm时，轴承整体最大压应力为1 150．1 MPa．可见将球径尺寸减小1．0 mm时，轴承所受最大压应力从原来的1 623．4 MPa减小到1 150．1 MPa．因此，将向心关节轴承GEZ101ES的球径尺寸减小1．0 mm确定为优化值．

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