高速滚动轴承接触应力与变形分析

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基于 ABAQUS的轴承过盈配合接触应力分析

基于ABAQUS的轴承过盈配合接触应力分析*高晓果，孔德龙，赵聪，刘文龙【摘要】摘要:航空发动机主轴轴承内圈一般采用过盈配合的安装形式，通过一定的过盈量防止轴承内圈与轴发生相对转动，并对轴承内圈定位。

建立了基于ABAQUS软件的轴承内圈过盈接触问题的仿真分析方法，使用该方法分析了某型航空发动机低压转子推力球轴承的内圈过盈配合接触应力，分析了该轴承内圈在装配压紧时发生转动的根本原因。

建立的过盈配合接触应力分析方法可为航空发动机主轴轴承过盈配合的设计和校核计算提供理论依据。

【期刊名称】机械研究与应用【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3【关键词】关键词:轴承;航空发动机;过盈;接触应力0 引言航空发动机转子系统通过滚动轴承支承到承力机匣上，轴承内圈与转子轴采用过盈配合的安装形式，通过一定的过盈量防止轴承内圈与轴的相对转动，并对轴承内圈进行定位。

从力学角度看，过盈配合是接触问题的一种［1］，属于边界条件高度非线性的复杂问题，配合面呈现出很复杂的接触状态和应力状态。

常用的过盈配合设计是以拉美(Lame)方程为基础，并在俄罗斯学者加道林院士提出的组合圆筒理论基础上进行的。

基于拉美方程和厚壁圆筒原理的传统方法存在着一定的局限性，不能很好的适用于复杂结构的过盈配合设计。

在航空发动机中，主轴轴承过盈量的设计和选取主要是参考成熟型号设计经验，很少对过盈配合的接触问题进行研究，如在某型发动的研制过程中，轴承内圈过盈装配到轴上后，采用压紧螺母进行压紧时，发生了内圈转动的现象，笔者以该工程实例为对象，使用ABAQUS有限元软件，对其过盈配合接触问题进行相应分析，分析了故障原因。

1 轴承内圈与轴的模型笔者选取了在装配时发生转动的轴承内圈与轴的模型，其结构如图1所示，图2为三维模型图。

该轴承为双半内圈角接触球轴承，是某型航空发动机的低压压气机后支点，在工作时承受低压转子轴向力。

该轴承内圈与轴承采用过盈配合的安装形式。

滚动轴承失效的四种形式

滚动轴承失效的四种形式
滚动轴承的失效主要有以下四种形式：
1、疲劳点蚀：滚动轴承在载荷作用下，滚动体与内、外滚道之间将产生接触应力。

轴承转动时，接触应力是循环变化的，当工作若干时间以后，滚动体或滚道的局部表层金属脱落，使轴承产生振动和噪声而失效。

2、塑性变形：当轴承的转速很低或间歇摆动时，轴承不会发生疲劳点蚀，此时轴承失效是因受过大的载荷（称为静载荷）或冲击载荷，使滚动体或内、外圈滚道上出现大的塑性变形，形成不均匀的凹坑，从而加大轴承的摩擦力矩，振动和噪声增加，运动精度降低。

3、磨料磨损：在轴承组合设计时，轴承处均设有密封装置。

但在多尘条件下的轴承，外界的尘土、杂质仍会侵入到轴承内，使滚动体与滚道表面产生磨粒磨损。

如果润滑不良，滚动轴承内有滑动的摩擦表面，还会产生粘着磨损，轴承转速越高，粘着磨损越严重。

经磨损后，轴承游隙加大，轴承游隙加大，运动精度降低，振动和噪声增加。

4、安装问题：安装不当也可能导致滚动轴承失效。

滚动轴承常见的失效形式及原因

滚动轴承常见的失效形式及原因滚动轴承常见的失效形式及原因分析滚动轴承在使用过程中由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。

疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。

滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。

点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。

疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角. 通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路.产生部位主要岀现在套圈和滚动体的滚动表面.轴承疲劳失效的机理很复杂，也岀现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。

这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。

目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。

表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。

工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。

疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。

具■体因素如下：A制造因素|1 、产品结构设计的影响：产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。

在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。

滚动轴承的应力与振动性能分析

滚动轴承的应力与振动性能分析滚动轴承是一种常见的机械元件，广泛应用于各种机械设备中。

在使用过程中，滚动轴承的应力和振动性能对其工作效率和寿命有着重要影响。

因此，对滚动轴承的应力和振动性能进行分析和评估，对于提高其工作效率和延长使用寿命具有重要意义。

首先，我们来分析滚动轴承的应力分布情况。

滚动轴承在工作时承受着来自外界的载荷，这些载荷会导致滚动体和滚道之间的接触应力。

接触应力的大小取决于载荷的大小和分布情况，以及滚动体和滚道的材料性质和几何形状。

一般来说，滚动轴承的接触应力集中在滚动体和滚道的接触点附近，这是由于载荷的传递方式和滚动体与滚道的接触形式决定的。

接下来，我们来讨论滚动轴承的振动性能。

滚动轴承在工作时会产生振动，这是由于滚动体和滚道之间的相对运动引起的。

滚动轴承的振动性能对其工作效率和寿命有着直接影响。

一般来说，滚动轴承的振动主要包括径向振动和轴向振动两种类型。

径向振动是指滚动轴承在垂直于轴线方向上的振动，而轴向振动是指滚动轴承在轴线方向上的振动。

滚动轴承的振动主要受到载荷、转速、润滑状态和滚动体与滚道之间的接触状况等因素的影响。

为了评估滚动轴承的应力和振动性能，可以采用一些常用的方法和技术。

例如，可以使用应力分析软件对滚动轴承的应力分布进行模拟和计算。

通过这种方法，可以得到滚动轴承在不同载荷和工况下的应力分布情况，从而评估其承载能力和工作寿命。

此外，还可以使用振动分析仪对滚动轴承的振动进行监测和分析。

通过对滚动轴承振动信号的采集和处理，可以得到滚动轴承在不同工况下的振动特征，从而评估其振动性能和运行状态。

在实际应用中，需要根据具体的工况和要求，对滚动轴承的应力和振动性能进行合理的分析和评估。

例如，在高速旋转设备中，滚动轴承的应力和振动性能对设备的安全运行和寿命有着重要影响。

因此，需要采取一些措施，如优化设计、选用合适的材料和润滑方式等，来降低滚动轴承的应力和振动，提高其工作效率和寿命。

第六节轴承钢

2、球化退火
目的： 1、便于切削加工 207~229HBS
2、为淬火作组织准备粒状珠光体在加热时渗碳体不容易溶解，得到含碳量为0.45~0.6%左右的A+ 未溶渗碳体，渗碳体呈细小球状均匀分布在奥氏体基体上，奥氏体晶粒非常细小，淬火后得到隐针M和均匀分布在M上的未溶碳化物，硬度、接触疲劳强度和耐磨性都很高。
对于精密轴承，要求残余A要少，否则在使用过程中因残余A转变为M而使尺寸变化。
淬火后立即冷到-79~-80 ℃保持1~2h，冷处理可使残余A减少到5%左右。冷处理后可使硬度提高2HRC 左右。
磨削后还要进行时效处理，在低于回火温度的温度下保温5~10h，消除内应力，稳定尺寸。
习题：
1. 渗氮、碳氮共渗、渗碳热处理工艺适合哪些齿轮的热处理？随齿轮模数的增大，渗碳层深度应该如何变化？
2. 模数为8的齿轮，选用什么材料比较合适？写出加工工艺路线，画出渗碳工艺曲线（注明温度）（采用直接淬火）；说明预先热处理的目的。
（参考p143、p235）
3、滚动轴承常用的材料是什么钢？说明预先热处理的目的？精密轴承与普通轴承相比，热处理工艺有何特点？
1、高的接触应力（可高达3000~35000MPa）并且有滚动和滑动失效形式: 磨损和接触疲劳 →表面具有高硬度、耐磨性和接触疲劳强度选材：高碳钢
2、对于尺寸较大的轴承，承受的力也很大，并且还会有一定的冲击失效形式: 断裂 →大的轴承要有较高的韧性选材：渗碳钢
滚动轴承钢必须有高而均匀的耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，同时在大气和润滑剂中具有一定的抗腐蚀能力。
3、晶粒晶粒不断长大，淬火后组织由隐针M 变为粗大透镜状M，强度和韧性降低。

滚动轴承的滚珠与滚道接触变形分析

图1 轴承结构示意图
1 变形参数计算
1.1 承载能力的校核计算对象为一给定滚动轴承，其结构如图 1 所示，
结构参数为：外形尺寸 ϕ4×11.5×10（m m），滚珠直径 D w =2m m，滚珠列数 i=2，单列滚珠个数 Z =7，径向游隙 Pd=0.010，内圈沟道曲率系数 fi=0.515，外圈沟道曲率系数 fo=0.525，接触角 α=0（深沟球），深沟球轴承的填球角为 183°。应满足的工作载荷条件为：额定静载荷 C0r ≥ 250 N，额定动载荷 Cr ≥ 500 N，许用接触应力 α ≤ [α]=4200 MPa 。
Fj (ρ ) =
ρ12 − ρ11 + ρ j2 − ρ j1 ρ12 + ρ11 + ρ j2 + ρ j1
∑ 对于内圈有： ρi=ρ11+ρ12+ρi1+ρi2
∑ 对于外圈有： ρo=ρ11+ρ12+ρo1+ρo2
（9）
1
∑ b
=
3
1− e2 π⋅
⋅ E(e) ⋅ Fr ρ
⋅
1
− µ12 E1
3122212111e1e3??????????????????????eefear??43122212121113b???????????????????????eefeeer??5322221212r112132????????????????????????eeeefeekr??6abfrmax23?7式中
摘要：滚动轴承的接触问题基本符合 He r t z 假设，深沟球轴承滚动体与内、外圈滚道在没有受到载荷的情况下为点接触。因此，滚动轴承滚动体与圈道的接触问题通常需要的求解方法是赫兹理论，本文主要解决了给定滚动球轴承与内外圈道接触变形的问题，运用赫兹点接触理论计算和分析了接触变形的有关参数。

滚动轴承接触问题数值计算及有限元分析

节点单元，采用Ｃｗｔ４ｏａ８单元进行分析，有限元模型如图２示。然后对轴承进行约束，在Ｙ方向施加所了～００５ｍｍ的位移约束，并且施加载荷进行求解。．０
图３为模型的网格划分，图４为Ｙ方向的应力图，图５为其等效应力图。
ＭＡｅＷｎ
（ｃｎｌｇｎｅｆＴａｙａａｙＭａｈｎｅｙＧｒｕ．，ｄ．Ｔａｙａ０２Ｃｈｎ）ＴｅｈｏｏｙＣｅｔｒｏｉｕｎＨｅｖｃｉｒｏｐＣｏＬｔ，ｉｕｎ０３０４，ｉａ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｔｅｓｏｈｏｌｒｂａｉｇｉｒｓａｃｅｔｈｈｏｙｏｒｚｏｕｉｇｏｈｙｅｏｏｌｇｂａｉｇ６０．ＴｈｅｓｒｓｆｔｅｒｌｅｒｎｓｅｅｒｈｄｗｉｔｅｔｅｒｆＨｅｔ，ｆｃｓｎｎｔｅｔｐｆｒｌｎｅｒｎ２６ｅｈｉｅｄｆｒｆｔｎｏｈｏｌｇｂａｉｇａｄｔｅｂｇｅｔｓｒｓｏｎｎｈｉｅｏｈｏｔｃｒａｕｄｒｔｅｃｒａｎｌａｒａｃｌｔｄｅｏｒａｉｆｔｅｒｌｎｅｒｎｎｈｉｇｓｔｅｓｐｉｔａｄｔｅｓｚｆｔｅｃｎａｔａｅｎｅｈｅｔｉｏｄａｅｃｌｕａｅ．ｏｉＷｉｒｓｃｎａｔｈｏｙｈｓｐｐｒｂｉｓｔｅｍｏｅｆｈｏｌｇｂａｉｇｉｔＨｅｔｏｔｃｅｒ，ｔｉａｅｕｌｈｄｌｅｒｉｎｅｒＡＮＳｎａｃｌｔｓｃｎａｔｐｏｌｍｓｈｔｄｏｔｉｎｎＹＳａｄｃｌｕａｅｏｔｃｒｂｅ，ｍｅｎｉ，ａｗｈｌｅ

高速重载滚动轴承接触应力和变形的有限元分析

３计算结果分析
滚动轴承的整体接触应力云图，为了更清楚的看到各个滚动体与内外圈的接触情况，分别导出了内圈、滚动体和外圈的接触
应力云图（图略）从图上可以看到，，上半圈的三个滚动体有明显的接触应力，最上部的钢球接触应力最大，达到了ｔ￣＝０ＭＰ。ｒ８０ａ，
— —
６ — ４—
ＭａｈｎｒＤｅｉｎ＆ｃｉｅｙｓｇ
Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ
第ｌＯ期２００８年１０月
文章编号：０１３９（０８１— ０４０１０ — ９７２０）００６ — ３
Ｂｎｈｒｉｇ技术在汽车开发领域中的应用ｃｍａｋｎｅ永
可能的接触区域对网格进行加密，保证在所有可能的接触区域有
固定刚性面
足够的网格密度，而在远离接触区的地方选择较大的网格尺寸，
轴承的有限元网格模型，如图２所示。
可能的接触区域
图３有限元分析模型
２３ＡＳＳ运算环境的设置．ＮＹ
采用增强拉格朗日法进行求解，朗日方法不易引起病态拉格条件，对接触刚度的灵敏度较小。为了使接触力的光滑传递不会被破坏，同时又保证有足够的时间步长来描述适当的接触，这里
虑轴以及轴承支座变形的影响。所计算的轴承外圈转动，内圈静７５８３ＭＰ，５．２ａ变形Ｄ００５２：．４ｍｍ，０可以看到有限元解与赫兹理止，而且内圈通常都安装于刚性很大的实心轴上，这里对内圈内论解具有较好的一致性。
机械设计与制造
Ｔｐ３，ｙｅ，

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ＣｏｎｔａｃｔＳｔｒｅｓｓａｎｄＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨｉｇｈ－ＳｐｅｅｄＢｅａｒｉｎｇ
ＺＨＡＯＴｕａｎ— ｔｕａｎ，ＧＥＮＩ。Ｍａｍｔｉｍｉｎ，ＤＵＳｈａｎ — ｓｈａｎ，ＧＵＯＹａｎ－ｐｅｎｇ，ＷＡＮＧＬｅｉ
论依据。
关键词：滚动轴承；ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ；接触应力和变形中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１３３．３３文献标识码：Ａ文章编号：１００ｌ一３９９７（２０１３）０８ — ０１４２ — ０４
体与轴承内、外圈的接触应力及变形量，以及３号滚动体与１号滚动体的对比图，得出了相同增量下各个滚动体的接
触应力和接触变形的变化情况。同一力下不同滚动体的接触面积变化情况。计算结果与赫兹理论解接近一致，表明建
立的模型及边界条件合理，准确。求解得到的各个滚动体的接触应力和变形为滚动轴承的失效形式分析与设计提供理
ｅｖｅｒｙｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｏｌｌｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｎｅｒｒｉｎｇａｎｄｏｕｔｅｒｒｉｎｇｓｉｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｎｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｖａｌｕｅｓｆｅｏｖｅｒｙｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍｔｉａｏｎｆｏｒｏｌｌｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｎｅｒｒｉｎｇｎｄａｏｕｔｅｒｒｉｎｇ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｓｔａ
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摘
要：针对高速轴承中现存的失效问题，采用有限元方法，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件，建立高速滚动轴承三维分
析模型。在合理的边界条件下，对模型中各个滚动体与轴承内、外圈接触应力和变形进行数值计算，从而得到各个滚动
ｄｉａｇｒａｍｏｆ３ｒｏｌｌｉｎｇｂｏｄｙａｎｄ１ｒｏｌｌｉｎｇｅｌｅｅｎｍｔ，ｄｒａｗｉｎｇｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｔｏｈｅｄｆｉｆｅｒｅｎｔｒｏｌｌｉｎｇｂｏｄｙ ’ ｓｃｏｎｔｃｔａｓｔｒｅｓｓ
ａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅ￥ａｍＥｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｃｔａｒｅａａｃｈｎｇａｅｓｆｄｏｆｉｆｅｒｅｎｔｒｏｌｌｉｎｇｂｏｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅ，ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：／ｔｉａｍｓａｔｔｈｅ恸ｓｐｅｅｄｂｅａｒｉｎｇｓｆａｉｌｕｒｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓｅｘｉｓｔｉｎｇｎｏｗｄａｙｓ．ＢａｓｅｄＯｎｔｈｅｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｉｔ
（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＸｉｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＸｉｎｊｉａｎｇＵｒｕｍｑｉ８３００４７，Ｃｈｉｎａ）
机械设计与制造
１４２
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ
＆
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第８期２０１３年８月
高速滚动轴承ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 触应力与变形分析
赵团团，买买提明・艾尼，杜珊珊，郭艳朋，王
（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ３Ｄａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｉｎＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ｗｉｔｈｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，