回转支承材料及性能研究

2014 届毕业设计论文学生姓名： 鲁飞 学 号： 1202100217 所在学院： 机械与动力工程学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 回转支承材料及性能研究 指导教师： 洪荣晶 2014 年 6 月 3 日南京工业大学本科生毕业设计（论文）回转支承材料及性能研究摘要国内常用的回转支承内外圈材料为 50Mn 和 42CrMo，但是材料发生滚道剥落、过度磨损的情况却屡见不鲜。本文以赫兹理论和有限元法为基础，对50Mn 和 42CrMo 材料的接触性能进行研究，主要内容如下：（1）讨论 50Mn 和 42CrMo 的材料特点，基于经典赫兹接触理论对两种材料进行接触应力计算，并将计算结果进行对比。（2）创建回转支承滚道与滚珠接触模型，利用 ABAQUS 软件对模型进行有限元分析，将仿真结果与理论计算结果进行对比。（3）根据 50Mn 和 42CrMo 的有限元分析应力云图，探讨两种材料的性能差异。（4）根据赫兹理论公式，推算出泊松比、弹性模量与材料接触性能之间的关系；根据金相图，观察 50Mn 热处理前后的性能变化。关键词：回转支承；50Mn；42CrMo；接触应力；有限元分析AbstractII3Research on material and property of slewing bearingAbstract50Mn and 42CrMo are often used to make outer ring of slewing bearing,but it is common to see that the material occurs raceway spalling and excessive wear.This paper studies the contact performance of 50Mn and 42CrMo based on Hertz theory and finite element analysis,The main contents are as follow:(1)Discuss the characteristics of 50Mn and 42CrMo,calculate the contact stress of that two material based on Hertz theory,then compare the two results.(2)Create a model with a ball and raceway of slewing bearing,the model is meshed and analysis by ABAQUS,compare the simulation results and theoretical calculations.(3)According 50 Mn and 42CrMo FEA stress cloud to explore difference of performance between the two materials(4)According Hertz theory formular,calculate the relationship between modulus of elasticity， Poissons ratio and the properties of material;According the phase diagram,observe the change of 50Mns properties.Kye words：slewing bearing；50Mn；42CrMo；contact stress；Finite Element Analysis南京工业大学本科生毕业设计（论文）III目录第一章 绪论 .11.1 研究的背景和意义 .11.2 回转支承材料的研究现状 .21.2.1 国内研究现状 .21.2.2 国外研究现状 .21.3 本文研究内容 .3第二章 回转支承材料的强度计算 .52.1 回转支承的常用材料及其特点 .52.1.1 滚动体常用材料 .52.1.2 滚道常用材料 .52.2 滚道接触应力计算 .62.2.1 赫兹弹性理论 .62.2.2 滚道接触应力计算公式 .72.2.3 回转支承接触应力计算 .92.3 齿轮强度计算 .122.4 本章小结 .12第三章 回转支承的有限元分析 .143.1 有限元法及有限元软件 .143.1.1 有限元法 .143.1.2 ABAQUS 软件介绍 .153.2 基于 ABAQUS 的接触问题分析 .163.2.1 接触问题分类及解决方法 .163.2.2 接触方式分类及选择 .173.3.3 接触问题求解步骤 .173.3 单排球式回转支承的有限元分析 .183.3.2 划分网格 .19目录IV3.3.3 边界条件和载荷 .203.4 本章小结 .22第四章 仿真结果分析 .234.1 仿真结果与计算结果对比 .234.2 不同材料的仿真结果对比 .244.2.1 泊松比 u 对接触性能的影响 .244.2.2 弹性模量 E 对接触性能的影响 .254.2.3 热处理对接触强度的影响 .264.3 本章小结 .27第五章 总结与展望 .285.1 全文总结 .285.2 工作展望 .28参考文献 .30致谢 .32南京工业大学本科生毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 研究的背景和意义回转支承是一种特大型滚动轴承，由内外圈、滚动体等构成 1，可以承受较大的综合载荷，广泛应用于工程机械、风电行业、港口机械、军工机械及航空航天等领域。图 1.1 是单排球式回转支承的实物图；图 1.2 为单排交叉滚柱式回转支承实物图。回转支承的应用范围非常广泛。我国在水利工程、道路交通、电力输送等基础设施建设中，都为回转支承的发展提供了很大的空间。同时，随着机械行业的不断发展，用户对回转支承的性能要求越来越高，包括其使用寿命和安全性。目前国内生产回转支承产品的企业有很多，但是相比于国外的一些企业，其质量还是略有差距的，尤其是在回转支承的材质和热处理方面更是落后于国外，每年因为这方面的不足而产生的浪费金额都在数亿元以上，同时也造成了资源的浪费。回转支承的工作环境往往比较恶劣，所以对其材料的性能有着特别的要求，如滚道的接触强度要求和耐磨性要求以及齿轮的弯曲强度要求。但是目前市场上用的回转支承材料易在不同程度上发生失效，如滚道剥落和轮齿断裂等等 2。基于以上原因，本课题开展了以回转支承为研究对象的回转支承材料及性能的研究。图 1.1 图 1.2第一章 绪论21.2 回转支承材料的研究现状1.2.1 国内研究现状六十年代初期，我国开始在挖掘机和起重机等工程机械领域中应用回转支承，例如合肥矿山机器厂生产的挖掘机和北京起重机厂生产的起重机均采用了双排式回转支承 3。此后，国内各种旋转起重机、挖掘机、堆垛机等中的新产品，绝大多数采用了轴承式回转支承。从而，关于回转支承的研究也成为工程机械学科界的热点。回转支承的套圈材料主要为 50Mn 和 42CrMo4，国内的回转支承公司、科研院所以及高校做了大量的针对这两类材料的研究。如马钢集团近期完成的50Mn 回转支承的滚道剥离原因和解决方案的研究；张家港海陆环形锻件公司进行的 42CrMo 回转支承的材料缺陷研究等。这些研究结果表明：（1）不同的合金钢材料，由于其弹性模量及泊松比的不同会产生不同的力学性能；（2）同种材料在不同的热处理条件下所得到的力学性能也有着很大的不同。市场对于回转支承性能提高以及制造成本降低的要求越来越强烈，回转支承的加工工艺也就相应地需要得到改善。由南京工业大学机械学院与安徽工业大学、马鞍山方圆回转支承有限公司组成的研究团队通过数控改造技术，建成了回转支承数控加工生产线。不仅提高了生产效率，而且回转支承滚道精度也得到了很大的改善。此外，随着计算机技术、有限元方法以及各类仿真软件的不断发展，关于回转支承的静力与动态仿真的研究也越来越多。例如上述西南交通大学的汪洋，以及合肥工业大学的顾家祯，他们研究的方向都是以 ANSYS 软件为工具，对回转支承的滚道与滚动元件的接触问题进行仿真实验，并且研究成果得到业界很多学者的借鉴和引用。除了 ANSYS 外，很多其他仿真软件也常用于回转支承的研究，如南京工业大学的丁龙建曾从事的回转支承非线性接触研究，就是以 ABAQUS 软件为研究工具的。1.2.2 国外研究现状国外的回转支承大多由轴承公司进行专业化生产，各公司都有自己的形势南京工业大学本科生毕业设计（论文）3和尺寸系列。主要生产公司有德国的罗特爱德（ROTHE ERDE） 、法国的 RKS及日本的 NSK、KOYO 等 5。此外，舍费勒公司研发制造出了外径达到4000mm 的超大型回转支承，可安装在风里发电设备中。此回转支承为单排或双排四点接触式，可以承受轴向、径向和倾覆力矩。我国的回转支承技术主要从国外引进，国外关于回转支承方面的技术比较先进与成熟。国外公司和高校的研究者通过理论计算和有限元仿真的方法来分析回转支承的失效问题。S.Zupan 等通过压力实验方法确定了滚动轴承上的外部载荷分布要素，以及表面硬化后滚道的实际接触能力。在测试过程中允许真实的旋转接触运动，这些连接的接触变化可以通过转动阻力进行分析。西班牙伊克兰研究中心的 Jose Ignacio Amasorrain 等研究了在一般负载条件下（转矩、轴向载荷和径向载荷）的单排四点接触式回转支承，确定了滚动元件上载荷分布的计算过程。Hajela P. Genetic 关于非凸优化问题的探讨为回转支承的研究提供了数学工具。回转支承某一个结构参数或者材料参数，例如 R/r、E，发生变化就会对整个回转支承的承载性能产生影响，这种影响或大或小。结合优化算法与计算机技术，就可以得到这个参数的最优值。近年，尤其是在日本，有很多专家致力于 S48C 碳素结构钢的研究。研究发现，S48C 作为机械结构用钢，热处理后具有较高的强度和较好的塑性，韧性、抗疲劳等性能也很优越。尤其是经过调质处理后的 S48C 钢，其良好的综合力学性能比较适合回转支承这类制造强度要求较高的机械结构。1.3 本文研究内容本文研究的内容主要为以下几个方面：（1）回转支承材料 滚珠、滚道常用材料的选择及其特点。（2）接触问题理论计算研究结合经典的赫兹理论，分别计算 50Mn 和 42CrMo 材料的滚道与滚珠之间的第一章 绪论4接触应力大小。（3）齿轮强度计算齿轮是回转支承重要的部件之一，齿轮强度直接影响到回转支承的承载性能。本文以 QWC 1250 40A 型回转支承为例，对其外齿的接触强度和弯曲强度进行公式计算。（4）四点接触式回转支承的有限元分析运用 ABAQUS 对 QWC 1250.40A 型回转支承进行三维建模、划分网格。再以ABAQUS 软件求解计算外加载荷下滚道与滚珠间的接触应力，将其与理论计算结果对比，并比对不同材料的接触应力大小。南京工业大学本科生毕业设计（论文）5第二章 回转支承材料的强度计算2.1 回转支承的常用材料及其特点2.1.1 滚动体常用材料不同型号的回转支承其滚动体的类型和个数也不同，本文主要讨论球式回转支承。回转支承滚动体位于外圈与内圈之间，特殊的工作环境以及工作时的运动状态要求其具有良好的耐磨性能和接触疲劳强度。此外，由于球式回转支承的滚动体为圆球，所以滚球的材料还要有良好的切削加工性能。GCr15 钢是一种含金量较少、性能较高、应用最广泛的高碳铬轴承钢 6。经过淬火加低温回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性和较高的接触疲劳强度。但是其冷加工塑性中等，切削性能也一般，焊接性能差。其主要材料属性如表 2.1 所示：表 2.1 GCr15 材料属性牌号 屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）伸长率（%） 硬度（HRC）GCr15 518.42 861.3 27.95 25.82.1.2 滚道常用材料回转支承的工作环境往往比较恶劣，所以对于滚道的材料选择有着特别的要求。滚道与滚动体之间呈线接触或者点接触，承受的应力大，应力变