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向心關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

向心關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

http://m.setsjjx.com    2019-05-10    編輯：青島瑞精機(jī)電設(shè)備有限公司
   作為通用零部件，關(guān)向心節(jié)軸承具有轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易于裝拆等特點(diǎn)，能夠滿足重載荷和長(zhǎng)壽命要求，已廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、電力、交通、航天和紡織等各類機(jī)械設(shè)備[1]．我國(guó)針對(duì)關(guān)節(jié)軸承的研究及相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)起步較晚，一般通過參考國(guó)外數(shù)據(jù)或根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定相關(guān)技數(shù)，缺乏科學(xué)依據(jù)．基于此，我們將大型有限元分析軟件ANSYS用于對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承GEZ101ES進(jìn)行有限元分析，在保持其它與裝配相關(guān)的參數(shù)尺寸不變的情況下，通過優(yōu)化關(guān)節(jié)軸承球徑尺寸，使向心關(guān)節(jié)軸承承受應(yīng)力的分布更合理，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高關(guān)節(jié)軸承壽命[2叫]．
  實(shí)驗(yàn)部分1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大、集設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化于一體的大型通用有限元分析軟件．在設(shè)計(jì)方案被采用或投產(chǎn)之前，利用ANSYS程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，可準(zhǔn)確地找出其潛在的設(shè)計(jì)缺陷或確定最佳幾何外形，縮短多樣機(jī)制造一測(cè)試一再制造的研制周期，并降低生產(chǎn)成本．選用福建龍溪軸承股份有限公司通過引進(jìn)國(guó)外技術(shù)研制的向心關(guān)節(jié)軸承作為研究對(duì)象，其外圈與內(nèi)圈均經(jīng)GCrl5軸承鋼淬硬，彈性模量為212 GPa，泊松比0．29，密度為7．8 g／cm。，抗拉強(qiáng)度2 155 MPa，抗壓強(qiáng)度為3 725 MPa．圖1示出了GEZ101ES向心關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)示意圖．為了使模擬更加接近現(xiàn)實(shí)情況，在模型的內(nèi)部引入一根軸．由于向心關(guān)節(jié)軸承具Fig 1 Schematic diagram of radial spherical plain bearing圖l 向心關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖有結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特點(diǎn)，故在創(chuàng)建有限元結(jié)構(gòu)模型時(shí)，僅取整體結(jié)構(gòu)的1／4進(jìn)行模擬．
  關(guān)節(jié)軸承的有限元分析采用實(shí)體建模，應(yīng)用四面體1O節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元SOLID92，其具有 、Y、z等3個(gè)方向的自由度，適合于不規(guī)則的幾何外形模擬，而且計(jì)算精度較高．在進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分時(shí)產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的數(shù)量可有所不同；有限元網(wǎng)格劃分較密，以便更清晰地顯示向心關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)力集中區(qū)域．GEZ101ES向心關(guān)節(jié)軸承為轉(zhuǎn)向多功能軸承，受力情況較為復(fù)雜，故在進(jìn)行有限元分析時(shí)必須進(jìn)行簡(jiǎn)化．由于徑向載荷是影響GEZ101ES向心關(guān)節(jié)軸承承載力和使用壽命的主要因素，因此主要考慮徑向載荷作用；而關(guān)節(jié)軸承服役條件下，旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)的速率基金項(xiàng)且；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(04G52044)．極慢，大多數(shù)情況下每分鐘不超過6轉(zhuǎn)(擺次)，因此對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行有限元分析時(shí)可采用準(zhǔn)靜態(tài)模型．與此同時(shí)，關(guān)節(jié)軸承具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，ANSYS規(guī)定可以取整體結(jié)構(gòu)的1／4進(jìn)行計(jì)算．以GEZ101ES的球徑為基準(zhǔn)尺寸，依次取球徑尺寸的改變量分別為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表示原始尺寸不變，正號(hào)表示尺寸增加，負(fù)號(hào)表示尺寸減小)，分別進(jìn)行求解．
  由于關(guān)節(jié)軸承在服役條件下承受壓應(yīng)力，失效源于壓應(yīng)力作用下的接觸疲勞，因此本文主要計(jì)算軸承所受的最大壓應(yīng)力；在保持裝配相關(guān)尺寸不變的條件下，通過改變關(guān)節(jié)軸承的球徑尺寸來(lái)計(jì)算軸承所受的最大壓應(yīng)力的變化．圖2示出了GEZ101ES向心關(guān)節(jié)D change quantity／ramFig 2 The 3rd primary stress s．variation ofspherical diameter for GEZ101ES圖2 壓應(yīng)力隨軸承球徑尺寸變化的關(guān)系曲線軸承的第三向主應(yīng)力0"3 的絕對(duì)值(即最大壓應(yīng)力)隨球徑尺寸D 變化的關(guān)系曲線．可以看出，關(guān)節(jié)軸承所受最大壓應(yīng)力與球徑尺寸的變化密切相關(guān)．當(dāng)球徑尺寸從0．0 mm增加到1．5 mm時(shí)，關(guān)節(jié)軸承所受最大壓應(yīng)力增加量較大；而當(dāng)球徑尺寸從0．0 mm減小到一1．5 mm時(shí)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)，這取決于結(jié)構(gòu)非線性．當(dāng)球徑尺寸減小量為1．0 mm時(shí)，關(guān)節(jié)軸承所受最大壓應(yīng)力最�。蛐年P(guān)節(jié)軸承的材質(zhì)為淬火加低溫回火GCrl5鋼，其組織為回火馬氏體，為脆性材料，故應(yīng)選用第一強(qiáng)度理論或第二強(qiáng)度理論進(jìn)行校核．鑒于第一強(qiáng)度理論形式簡(jiǎn)單，且不影響計(jì)算結(jié)果，因此本文采用第一強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，即 。≤[ ]，或≤[ v]( 。為第一向主應(yīng)力， 。為第三向主應(yīng)力)．當(dāng)原始數(shù)據(jù)不變(UP改變量為0 mm)時(shí)，軸承整體最大壓應(yīng)力(第三向主應(yīng)力0"3rain絕對(duì)值的最大值)為l 。血l一1 623．4 MPa；而當(dāng)球徑尺寸減小1 mm時(shí)，軸承整體最大壓應(yīng)力為1 150．1 MPa．可見將球徑尺寸減小1．0 mm時(shí)，軸承所受最大壓應(yīng)力從原來(lái)的1 623．4 MPa減小到1 150．1 MPa．因此，將向心關(guān)節(jié)軸承GEZ101ES的球徑尺寸減小1．0 mm確定為優(yōu)化值．

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