轴承工作过程中的摩擦状态分析

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轴承工作过程中的摩擦状态分析




　　摘 要：阐述钢丝滚道球轴承在工作过程中主要的摩擦形式的基础上，采用大型有限元分析软件对单球双滚道钢丝滚道球轴承的摩擦状态进行了初步的仿真分析。 
　　关键词：轴承；摩擦；仿真 
　　 
　　0 前言 
　　 
　　接触面的形状与尺寸影响到物体间的摩擦。只有在理想状态下的接触点或者接触面才能产生纯滚动。一旦形成接触面，必然伴随有滑动。通常，钢丝滚道球轴承在载荷的作用下，形成椭圆面接触，因此计算钢丝滚道球轴承时摩擦是必须考虑的因素。本文将对钢丝滚道球轴承工作过程中产生的几种主要的摩擦形式进行分析。并对其仿真进行了初步的探讨。 
　　 
　　1 钢丝滚道球轴承摩擦力和摩擦力矩产生机理 
　　 
　　滚动轴承在工作的过程中，由于受到预紧和工作载荷的作用，会产生摩擦，摩擦的主要形式有以下几种： 
　　(1)弹性滞后引起的滚动摩擦：滚珠在载荷的作用下沿滚道表面滚动，接触表面下的材料产生弹性变形。在接触消除后，弹性变形的主要部分恢复。但是，通常在载荷增加时，给定应力所对应的变形总量总是小于载荷减小时的变形，称为弹性滞后，反映了一定的能量损失，表现为滚动摩擦阻力。 
　　(2)差动滑动引起的摩擦：若接触面上任意单元面积的切向力与接触压力成正比，可以推出滚动体沿轴承滚道滚动时因为差动滑动所引起的摩擦力矩。 
　　(3)自转滑动所引起的摩擦：对于滚动轴承在运转时，滚珠沿套圈滚道可能产生绕接触面法线的旋转运动。由此引起的滑动，成为自旋滑动。同时由自旋滑动产生摩擦力和摩擦力矩。 
　　(4)润滑剂的粘性摩擦：润滑剂和润滑方式对轴承摩擦力和摩擦力矩具有重要的影响。由于润滑剂的作用，滚动体与钢丝滚道之间形成弹性流体动力润滑膜，各个滑动接触部位的摩擦系数有所改变。轴承运转时，滚动体通过充满油气混和物的空间，受到绕流阻力，成为扰动阻力，产生摩擦力和摩擦力矩。 
　　 
　　2 钢丝滚道球轴承工作工程有限元仿真 
　　 
　　在充分考虑钢丝滚道球轴承在工作过程中的预紧，摩擦等因素，在ANSYS里建立起单球双滚道，得到良好的接触形态，并对其摩擦状态进行了有效的仿真分析。 
　　2.1 单球双滚道接触有限元模型的建立 
　　由于钢丝滚道球轴承结构较复杂，为了建模分析方便，同时为了突出观察得主要内容。首先考虑对滚动体与相对的两根钢丝滚道这种简单情况进行建模仿真。 
　　(1)实体模型建立。 
　　同样为了简化计算，突出重点，我们只需要考虑其中的一个滚动体的情况进行仿真。考虑所研究的钢丝滚道球轴承属于密珠轴承且尺寸较大，钢丝滚道的曲率半径对滚动体与滚道接触的分析影响较小，所以可以首先把钢丝滚道作为直线滚道处理。为了能方便的施加自由度约束和载荷，同时也为了以后观察结果的方便，建模中，滚动体取半个滚珠进行建模，同时只取与滚动体相接触的两钢丝滚道的各四分之一。实体模型建立如图1。 
 
　　 
　　(2)网格的划分。 
　　对轴承的点接触问题进行分析中，钢丝滚道和滚动体均采用了SOLID 92单元，这样的单元划分对分析点接触问题既精确又便于突出点接触部分的细节。在单球双滚道模型中，因为不但要施加预紧的载荷产生接触应力，还要使钢丝滚道有相对运动来模拟实际工作中轴承的情况，所以在单球双丝钢丝滚道球轴承的有限元模型中，钢丝滚道的网格划分采用了沿钢丝轴向相对规则的单元——SOLID 185。最后网格划分结果如图2。 

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　　2.2 单球双滚道接触有限元模型仿真结果分析
　　(1)预紧的过程。
　　在第一个载荷步的施加的过程中，通过给两根钢丝滚道中心轴线0.3mm的相对位移，来达到对单球双丝钢丝滚道球轴承的预紧的效果。仿真与实际工程应用一样，可以对预紧量的大小进行调解，使得变形量，预紧力大小控制在一个合适的范围内。这是因为预紧量过小，可能使工作过程中，滚动体与滚道之间出现间隙，产生冲击，影响轴承的正常工作。预紧量过大，可能使预紧力过大，使钢丝或者滚动体产生较大的塑性变形，也不利于轴承的正常工作和延长轴承的使用寿命。
　
   　　
　　从图3可以看出，在预紧的作用下，钢丝滚道与滚动体所产生的预紧压力最大值为3170MPa，而预紧产生的摩擦应力最大值为36.2MPa，远小于预紧压力的值。这是因为预紧的过程中，由于对滚动体的约束，滚动体与两根钢丝滚道之间基本没发生相对运动，所以摩擦作用很微弱。从图4接触区应力云图可以看出：钢丝滚道与滚动体之间产生1850MPa的预紧应力，该应力足以保证在正常工作工程中，滚动体与钢丝滚道之间不至于产生间隙。同时从放大的应力云图可以看出，相同的材料下，钢丝滚道的预紧应力要远大于滚动体中的预紧应力。
　　(2)正常工作过程中的仿真分析。
　　为了模拟轴承的运转工作情况，在单球双丝的有限元模型中，施加第二个载荷步，两根钢丝沿轴线方向上的相对位移。
　　从图5和图6我们可以看出，工作过程中产生的接触压力最大值为3360MPa，而工作过程中产生的摩擦应力最大值为57.7MPa。接触压力和摩擦应力相比预紧时增幅均不大，这说明该模型的滚动形态比较好，产生的摩擦的影响较小。从图7和图8可以看出。工作过程中，最大应力为2080MPa，比只在预紧作用下静压的状态的应力稍大。考虑到滚动体与钢丝滚道之间存在0.3的摩擦系数，在有相对运动的过程中要产生一定的摩擦阻力，应力略有增大是很合理的。
　　
　
　
　　　
　　同时从仿真的结果可以看出，由于存在相对运动，钢丝与滚动体之间产生摩擦，由于摩擦的存在，使接触区相对于静态情况下产生了一定的变化。具体体现在：首先，接触区域影响区域变大。在静态情况下，接触应力仅在接触点附近很近的很小的范围内存在，此处应力值很大，随着与接触区的距离的增加，接触体内的接触应力就迅速减小到可以忽略的程度，这与非协调接触理论定性分析的经典定理——圣维南定理相吻合。而在工作过程中，产生相对运动和摩擦的情况下，接触区有应力的范围大大的增加，这是因为，在相对运动的过程中，接触区的接触应力已经超过了材料的屈服极限，所以运动的过程中，接触区将产生塑性变形，在脱离接触区后，仍旧有一定的残余变形，从而导致有一定的残余应力。
　 　　
　　
　　(3)钢丝滚道滚动路径上某点沿径向的位移。
　　用时间历程后处理器进行观察如图9，图10，取钢丝滚道与滚动体相对运动路径上的某点为研究对象。从钢丝上点的变形随时间的变化情况可以看出：由于接触应力超过了材料的屈服极限，上下滚道均产生塑性变形。主动钢丝上的塑性变形约0.12mm，固定钢丝上的塑性变形约0.08mm。主动钢丝上产生的塑性变形要大于固定钢丝上产生的塑性变形，这与我们模型施加载荷的方式有关，由于所施加的预紧和钢丝之间轴向的相对位移均加在上钢丝上，从而使该钢丝产生的应力要大于被固定的钢丝中的应力，因此，塑性变形的量也要略大。
　　显然，通过单球双滚道钢丝滚道球轴承的仿真，得到了静态预紧和工作过程中的接触应力分布，了解了轴承工作过程中的摩擦状况，为实际的工程应用提供了一定的看法，但是，理论的模拟只是一种验证，通过实验的认证分析是必须的。
　　
　　参考文献
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