双列角接触球轴承疲劳寿命分析与研究

机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 双列角接触球轴承疲劳寿命分析与研究 吉博文 景敏卿 刘恒 周国庆 1 西安交通大学 机械工程学院 陕西 西安7 1 0 0 4 9 2 6 8 3 0 6 部队 陕西 西安7 1 0 0 4 9 摘要 双列角接触球轴承在汽车前轮轮毂等场合有较为广泛的应用 然而其疲劳寿命的计算和影响因素分析却很少有 研究涉及 通过分析双列角接触球轴承的寿命计算方法 采用R O MA X软件对 自 行设计加工的双列角接触球轴承试验台 原型进行建模仿真 分析得出了模型中试验型号为S K F 3 2 1 6的双列角接触球轴承的外圈预紧量 接触角 内外圈沟道系 数对轴承疲劳寿命的影响大小 这不仅提供了一种快速估算双列角接触球轴承疲劳寿命的方法 也为轴承结构优化和工 作条件改进以提高轴承工作寿命提供了有效的参考 关键词 双列角接触球轴承 疲劳寿命 R OMA X 仿真计算 中图分类号 T H1 6 T H1 3 3 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 0 0 0 2 6 0 3 F a t i g u e L i f e An a l y s i s a n d Re s e a r c h o n Do u b l e Ro w An g u l a r Co n t a c t Ba l l B e a r i n g J 1 B o we n J I NG Mi n q i n g L I U He n g Z HOU Gu o q i n g 2 1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y S h a a n x i a n 7 1 0 0 4 9 C h i n a 2 6 8 3 0 6 T r o o p s S h a a n x i X i a n 7 1 0 0 4 9 C h i n a A b s t r a c t T h e d o u b l e r o w a n g u l a r c o n t a c t b a l l b e ari n g s h a v e a w i d e s p r e a d u s e t h e c arf r o n t w h e e l h u b s h o w e v e r f e w r e s e arc h i n v o l v e s t h e f a t i gue l if e c al c u l a t i o n o r t h e i n flu e n c e f act o r anal y s is T h r o u g h a n al y z i n g t h e f a t i g u e l if e c alc u l at i o n m e t h o d o f t h e d o u b l e r o wangul arc o n t uct b a l l b e ari n g a s e lf d e s i g n t e s t s t a n d m o d e l o f t h i s b e a r i n g i s b u i l t i n R O MA X A c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s w h i c h s h o w t h e e f f e c t s o f p r e t e n t i o n c o n t act a n g l e a n d r adi u s o f c u r v a t u r e c o e f fic i e n t s o f i n n e r a n d o u t e r r i n g s o n b e ari n g f a t i g u e l if e a n dS K F 3 2 1 6 s u n c l e r s i mu l at i o n a n d c al c u l a t i o n a b e ari n g m o d e l a n d ana l y z e s t h e m a g n i t u d e o f t h e s e t h r e e f a c t o r s I t p r o v i d e s 咖 s w a yt o e s t i m ate t h e f atigue z o fd o u b l e r o wa n gul ar c o n t a c t b al l b e ari n gs Me anw h i l e i t o f f e r s v ali d r e f e r e n c e s o n t h e s t r u c t u r e o p t i m iz i n g and t h e w o r k i n g c o n d i t i o n i m p r o v e m e n t t o e x t e n d i t s f a t i gue l if e Ke y W o r d s Do u b l e Ro w An g u l a r Co n t ac t Ba l l Be a r i n g Fa t i g u e Li f e ROMAX S i mu l a t i o n a n d Ca l c ula tio n 1引言 双列角接触球轴承比单列角接触球轴承有更好的刚性 能 承受以较大径向载荷为主的径向 轴向载荷以及倾覆力矩载荷 广泛应用在汽车的前轮轮毂中 轴承疲劳寿命作为轴承质量的综 合反映指标 其计算和试验一直以来都是轴承技术领域的重要研 究方向之一 如何确定并提高轴承疲劳寿命 也一直为工程界所 关注 国内外学者对双列角接触球轴承疲劳寿命计算和试验有所 涉及 但研究存在一定不足之处 文献对每列承受完全相同载荷 的双列点接触轴承的疲劳寿命进行了简单的公式推导 文献较全 面考虑双列角接触球的变形因素和双列轴承间的变形协调条件 为轴承受力 变形和承载区域大小的计算提供了参考 文献采用 名义应力法和线性疲劳累积损伤理论 结合 n S o f t 软件的疲劳寿 命预测模块 F A T MA S 计算了轮毂轴承寿命 模型缺乏考虑游隙 材料变形 过盈配合应力影响 保持架影响等 文献采用 A N S Y S 疲劳分析模块 F a t i g u e 对单列角接触轴承进行接触疲劳仿真 模 型没有论及双列滚珠的情况 即使在应用最多的场合一汽车轮毂 上 双列角接触球轴承的选择仍然多用传统的经验方法 因此 有 必要对双列角接触球轴承的疲劳寿命估算进行研究 以课题使用的滚动轴承检测试验台中的双列角接触球轴承 为研究对象 采用 R O MA X软件陕速建模并仿真计算轴承疲劳寿 命 R O M A X软件提供了部分轴承厂商 如 S K F F A G N T N 的产 品数据 不仅可以直接选择需要的轴承 同时也可 自定义轴承 便 于修改轴承内部结构和工况环境 这对于研究轴承疲劳寿命的影 响因素及影响大小提供了便捷有效的途径 在完成寿命计算分析 和软件建模的基础上 通过调节轴承外圈预紧量 接触角大小和 内外圈沟道系数等 分别用两种疲劳寿命标准进行了分析对比 得出了各研究因素对轴承寿命的影响趋势和大小 2双列角接触球轴承的寿命计算 G L u n d b e r g和 A P a l m g r e n于 1 9 4 7年提出滚动轴承额定 动 载荷和疲劳寿命理论 上世纪7 0年代形成了国际标准 该理论至 今仍被广泛使用 后来的研究学者和轴承公司多在此基础上进行 来稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 2 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 1 7 5 4 1 0 河南煤化基础重大科研项 目 2 0 1 1 L Y C 0 1 0 1 作者简介 吉博文 1 9 8 9 一 男 河南偃师人 硕士研究生 主要研究方向 滚动轴承仿真和二次开发 景敏卿 1 9 5 6 一 男 陕西咸阳人 教授 博士生导师 主要研究方 向 机械电子工程 第 1 O期 吉博文等 双列角接触球轴承疲劳寿命分析与研究 2 7 修正与补充 R O MA X软件在轴承疲劳寿命计算时 也是基于 L P 理论 应用了不同的标准 按照 R O MA X推荐 分析中分别选用 I S O 2 8 1 2 0 0 7 和 I S O T S 1 6 2 8 1 2 0 0 8 两种新标准来计算轴承寿 命 这两种新标准中按载荷 预紧 错位 高速效应 微观几何精 度 应力分布 油膜厚度 污染疲劳和载荷极限等诸因素 对轴承 寿命进行计算和修正 且 I S O T S 1 6 2 8 1 2 0 0 8 相 比 I S O 2 8 1 2 0 0 7 在计算轴承寿命时用滚动体载荷分布代替了轴承载荷 可以计算滚动体倾斜和工作间隙 考虑因素较为全面 计算结果 可信度较高 软件对于双列深沟球轴承整体疲劳寿命的计算 是建立在 计算每一列轴承寿命的基础上 根据概率乘积定律 由文献可以 进行基本推 导 对于单列点接触球轴承来说 寿命计算公式为 f 3 I 1 式中 卜 可靠度9 0 的基本额定寿命 单位 1 0 Q 一滚道的额 定动载荷 一与滚动体实际载荷分布有关的当量载荷 其 中额定动载荷为 Q c 9 8 1 荇 1 8 2 式中 双算符的上 下符号分别适用于内滚道和外滚道 产 一内或 外圈沟道曲率半径系数 y D w c o s o d d 旷 接触角 D z 滚动体直径和个数 对于相对于作用载荷旋转和静止的套圈 当量载荷 Q 和 Q 分别为 根据式 1 一 式 3 计算得到旋转套圈 内圈 和非旋转套圈 外圈 的疲劳寿命分别为 和 这样一列轴承的基本额定寿 命就可以表示为 L L 4 组合轴承的使用概率可表示为 ln ln 1 5 利用式 4 可以计算出双列角接触球轴承每一列轴承的寿 命 和 利用概率乘积定律 最终可得到轴承整体参考寿命计 算公式如下 9 1 13 1 0 1 0 L 2 6 为提高轴承的额定动载荷 引入 b 系数 角接触球轴承取 h a 1 3 修正后得到的轴承寿命为 L m b mL 2 1 9 7 L 7 3仿真分析模型建立 选取型号为 S K F 3 2 1 6的双列角接触球轴承为研究对象 在 R O MA X平台上按照试验台尺寸建立了一套轴承转子系统模型 如图 1 所示 左侧为支撑轴承 角接触球轴承B 7 2 1 5 一 E 一 2 R S D T P 4 S 中间为径向加载轴承 角接触球轴承 B 7 0 1 7 一 E 一 2 R S D T P 4 S 右侧为试验轴承 双列角接触球轴承S K F 3 2 1 6 仿真系统中采用 I S O V G 3 2汽轮机油润滑 运行温度为 7 0 电机为 3 7 k W 对加载轴承施加向上的径向力 2 0 k N 假设 径向力均匀作用在加载轴承外圈上 模型中使各轴承内圈固定 外圈分别给出初始轴向定位预紧量 支撑 加载轴承根据预紧方 向分别给出3 0 t x m 一 3 0 z m的预紧量 试验轴承预紧量根据具体 分析而定 同时指定各轴承工作轴向游隙值为0 1 z m a 平面结构 b 三维结构 图 1 R O M A X轴承转子系统仿真模型 Fi g 1 T h e ROMAX Mo d e l Be a r i n g Ro t o r S y s t e m 4仿真结果与分析 4 1预紧量和预紧方向的影响 已知研究表明 正确选择角接触球轴承的预紧量可以提高 支撑刚度和旋转精度 减少振动和噪声 在提高转速的情况下 为 提高轴承工作寿命 应选择较小的预紧力 但要防止轴承发生自旋 滑动 以免发热加剧影响工作寿命 由于双列角接触球轴承 背靠 背 的布置方式 可以承受双向轴向载荷 因此 这里预紧量的大小 和预紧方向的选择对疲劳寿命的影响应该同时予以考虑 由于径向 载荷加载在角接触球轴承上 因此会给轴同时带来径向力和轴向 力 并传递作用在两侧支撑轴承和试验轴承端 这使得整个轴系的 计算变得更加复杂 这里将预紧方向与预紧量合并表示 预紧量为 负代表预紧方向为 Z 如图 1 a 中所示 转速设定为 3 0 0 0 r m i n 预 紧量加在试验轴承外圈上 疲劳寿命随预紧量的变化曲线 如图2 所示 可以看到 1 预紧量从 一 1 0 0 1 0 0 m变化过程中 当预紧 量绝对值较大时 轴承疲劳寿命非常短 约为几百小时 2 当预紧 量从 2 0 lx m开始减小到 0 变换预紧方向后再增大到 1 0 m 轴承 寿命显著提高 并在 1 0 1 z m附近达到峰值 继续增大预紧量到 4 0 x m的过程中 寿命值又迅速下降 3 通过对比两种寿命标准 可以看出按熙I S O T S 1 6 2 8 1 计算得到的寿命要小于按照 I S O 2 8 1 得到的寿命 而且在峰值附近差距接近2倍 通过对结果分析得 出初步结论 预紧量较小时轴承寿命较高 并且预紧量在 一 2 0 4 0 t x m之间的变化对轴承疲劳寿命的影响非常明显 8 n 一 z 一 z 弋 2 8 机 械 设 计 与 制 造 No 1 0 0c t 2 01 4 1 2 0 1 一 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l L l0 l 2 U 外圈定位预紧量 m 图2 疲劳焘 命随 预紧量的 变化曲 线 F i g 2 P r e t e n s i o n o n Be a r i n g F a t i g u e L i f e Cu r v e 4 2接触角大小的影响 文献提到随着内外圈沟间距之差的增大 接触角会增大 径 向游隙和轴向游隙会减小 这间接说明了游隙和接触角的关系 已知研究表明 合适的工作游隙有助于滚动轴承正常工作 游隙 过小 会使轴承内外套圈与滚动体之间接触应力变大 增加轴承 温升 以致无法正常工作 降低了轴承寿命 过大的游隙会引起较 大的设备振动和噪声 引起较大的径向圆跳动和轴向窜动 R O MA X中在自定义轴承结构时还可以修改接触角的大小 最大可设定为4 5 仿真中 保持轴承其他结构参数不变 只让接 触角在 1 0 4 5 之间变化 设定主轴转速为 3 0 0 0 r m i n 外圈定 位预紧量为 7 0 t x m 由图3可看出 1 两种标准下随着接触角的增大 轴承寿 命都出现降低 在 1 0 2 5 之间下降幅度较大 2 5 4 5 之间 变化趋于平缓 2 当接触角小于2 5 C 时 两种标准计算出的寿命 差别较大 最大相差 1 倍左右 当超过2 5 C 时 差别逐渐缩小且十 分接近 说明模型中采用较小的接触角可以 延长轴承使用寿命 因为接触角增大的同时会减小工作游隙 当游隙过小时就 会导致轴承寿命的下降 所以仿真模型中得到寿命随接触角增大 而减小的结论可以被接受 j 襄 群 6 0 o 0 3 O o 0 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 接触角 图 3疲劳寿命随接触角的变化曲线 F i g 3 Co n t a c t Ang l e o n Be a r i n g F a t i gu e L i f e C u r v e 4 3内外圈沟道半径系数的影响 选用合适的沟道半径系数是为了保证其良好的润滑条件和 接触状况 一般隋况下 设计双列角接触球轴承时厢 列均采用相 同尺寸规格的钢球 内 外圈沟道直径也采用相同尺寸 即内 外 圈滚道沟曲率半径系数S f o 相同 常用沟曲率半径系数 厂 来表示 沟曲率半径 r 的大小 即 D 其中 代表滚动体直径 在前面的各影响因素研究中 默认取 0 5 2 0 而 f 的大小 对轴承接触应力和变形有影响 决定了接触斑形状和轴承的承载 能力 进而会对轴承寿命造成影响 所以这里对不同沟曲率半径 系数组合下的轴承寿命进行了仿真研究 仿真中保持轴承其他结 构参数不变 设定主轴转速为 3 0 0 0 r mi n 外圈定位预紧量为 7 0 t m 由图4可以看出 1 按 I S 0 2 8 1 标准 随着 增大 和 组配 的 系数的变化对轴承寿命影响不大 但总体呈现两者差值越大 轴承寿命越低的趋势 2 按 I S O 1 S 1 6 2 8 1 标准 随着 的增大 轴 承寿命下降比较明显 尤其是在 较小 的情况下 如图中 0 5 1 0 当f o 0 5 1 0时 轴承寿命约为 7 0 0 0 h 而当 增大至 0 5 3 5 时 轴承寿命降低至不到 3 0 0 0 h 说明 当内外圈滚道沟曲率半径 系数都较小时可以获得更好的使用寿命 皇 船 懈 枨 瞄 暴 外 圈沟 曲率半径系数工 图4疲劳寿命随内外圈滚道沟曲率半径系数的变化曲线 F i g 4 Di f f e r e n t M a t c h e s o f Ra d i u s o f C urva t u r e Co e f f i c i e n t s o f I n n e r a n d Ou t e r Ri n g s o n Be a tin g F a t i gu e L i f e C u r v e 5结论 针对实际试验台中用到的S K F 3 2 1 6 双列角接触球轴承 利 用 R O MA X软件平台进行了建模仿真 并对于3种不同影响因素 下的轴承疲劳寿命进行了计算 快速且有效地获得了两种不同寿 命标准下的计算数据 通过数据可以看出 预紧量较小时轴承寿 命较高 并且预紧量在 一 2 0 4 0 tx m之间的变化对轴承疲劳寿命 的影响非常明显 采用较小的接触角或使用较小的内外圈滚道沟 曲率半径系数配合 都会一定程度地提高模型中轴承的使用寿命 因此 利用 R O MA X软件进行双列角接触球轴承疲劳寿命分析 不 仅为疲劳寿命试验的工况选择提供了支持 同时也为其结构优化 提供了参考 可有效提高此类轴承在工作当中的疲劳寿命 参考文献 1 Ha r r i s TA K o t z ala s M N 滚动轴承分析 第 1卷轴承技术的基本概念 M E 京 机械工业出版社 2 0 1 0 H a r r i s T A K o t z a l a s M N R o l l i n g B e a ti n g A n a l y s i s E s s e n t i a l C o n c e p t s o f B e a r i n g T e c h n o l o g y M B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s 2 0 1 0 2 余挺 张雪萍 基于变形协调的双列角接触球轴承受力计算 J 轴承 2 0 0 4 1 1 1 4 Y u T i n g Z h a n g X u e p i n g L o a d c a l c u l a t i o n f o r d o u b l e r o w a n g u l a r c o n t a c t b a l l b e a r i n g b a s e d o n d e f o r ma t i o n c o o r d i n a t i o n J B e a r i n g 2 0 0 4 1 1 1 4 3 王露 轮毂轴承多工况疲劳寿命建模与数值仿真 D 杭州 浙江工业 大学 2 0 0 9 下转第3 1 页 自 0 7 4 l 8 5 2 9 6 3 一 纰 暴 咖 咖 咖 No 1 0 0 f 2 0 l 4 机 械 设 计 与制 造 3 l a 滑块应 力云罔 1 滑块应变云图 图 5滑块应 力应变分 图 F i g 5 S t r e s s a n d S t r a i n Di s t r i b u t i o n o f S l i d e Bl o t k 5滑块结构的改进 由滑块的行限元分析结果 丁 知 该结构的危险部位位于滑 块诘近杜 一侧的销孔边缘处 此 该侧的销孔外边缘处添加 厚度为 2 0 mm的肋板 以减少该部位的应力和应变值 改进后的 滑块儿何模型 如罔 6 所示 图 6改进 的滑块儿何模型 F i g 6 I mpr o v e t Ge o me t r y o f S l i d e Bh c k 将改进后的滑块的几何模型冉 欠导入到 A N S Y S WO E K B E N C H中进行强度分析 得到改进后 滑块 的应 力和应 变罔 女 l l 罔 7 所 J 有 皋 1 可 以 得 I 改 进 的滑 块 的 应 力和 变值 分 j l J 为 l 9 7 6 4 M P a和0 0 0 2 6 5 8 m m 比改进前降低很多 且远小于滑块材 料的屈服橄限和弹性变形 满足设汁 求 a 嫂进 滑块J 直力 l冬 l l 改进 滑块应变云网 7改进后滑块 应力应变分 F i g 7 S i t e s s a n d S I i a i n Di s t r i b u t i o n u f t h e hn p r o v e d Sl i d e Bl o k 6结论 以 B R K 5 0 0 3 7 5型高压乳化液泵滑块作为研究对象 对滑 块的结构进行了重新设汁 然 利H j A N S Y S WO R K B E N C H软件 对滑块进行 r 应力 砸变分析 得剑滑块往最大丁作瓜力下的应力 和应变值 分别为4 0 4 7 2 MP a和O O 1 7 2 9 4 r n m 为减小滑块 作时 的应 力和应变值 对滑块的结构进行 r j 挂一步改进 改进后滑块 所受应力和应变值分别为 1 9 7 6 4 MP a 和 0 0 0 2 6 5 8 m m 侄滑块材 料的允许范同内 满足没汁要求 并儿为滑块结构的优化设i 1 提 供 r 理论依据 具有较高实用价值 参考文献 l 史春祥 冰 煤矿液烁 芰架J j 乳化液泵站 n 流体传动 j 控制 2 0 0 7 2 3 5 3 6 Sh i CI 1 t i n x i a n g Bi n g B i n g Emu l s i o n p u mp s t a l i n n o f c o a l mme h y l l r a u l i s u p p o r t J F l u i d P o w e l F r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l 2 0 0 7 2 3 5 3 6 2 J 刘善林 胡鹏滑 曲柄滑块机构的运动特性分析及仿真实现L J 机械设 计与制造 2 0 0 8 5 7 9 8 0 L i u S h a n l i n Hu P e n g h a o A k i n e t i c c h a r a c t e l i s t i c a n a l y s i s o t s l i d e r c r a n k m e c h a n i s m a n d s i mu l a t i o n r e a l i z a t i o n l J j Ma c h i n e r y D e s i g n Ma u u t h l t u r e 2 0 0 8 5 7 9 8 0 3 J 陈知泰 荩 于疲 劳强度 的柔性 曲柄滑块机构优化设计 J l机械 没汁 2 0 0 9 1 2 8 3 0 C h e n Z h i t a i I I t i mi z a t i o n d e s i g n n n t h e fl e x i b l e r a n k s l i d e r m e t h a n i s m b a s e d o n f a t i g u e s t r e n g t h J j J o u r n a l o f Ma c h i n e D e s i g n 2 0 0 9 1 2 8 3 0 4 畅雷亭 赵兴涛 杨师斌 矿用乳化液泵J f j 滑块的结构没i t J 煤矿机 械 2 0 0 9 1 1 l 3 9 一 l 4 1 Ya n gI e i t i n g Zb a oXmg t a o Ya n gSh i b i n De s i g n o fmi n i n g e mu l s i o n p u m p w i t h s l i d e b l u c k s t r u c l u r e J C o a l Mi n e Ma c h i n e r y 2 0 0 9 1 1 l 3 9 1 41 5 赵经义 王宏钰 结构有限元分析 M J 北柬 科学 版社 2 0 0 1 Z h a o J i n g w e n Wa n g H o n g y u S t r u c t u r a l F i n i t e E l e me n t A n a 1 s i s l M B e i j i n g S t i e n P P r e s s 2 0 0 1 6 丁毓峰 A N S YS I 2 0有限元分析完全 册 Mj E 京 电 产丁业 版礼 2 0l 1 1 i n g Y u f e n g AN S Y S I 2 0 F i n i t e E l e m e n t A n a b s i s C o m 1 l e t e l y M a n u a l l M B e ij i n g B e ij i n g E l e I r o n I n d u s t r y P r e s s 2 0 1 1 7 J 平安 有限元刚格划分的基书原则 J 机械没汁与制造 2 0 0 0 1 3 4 3 6 D u P i n g a l1 r h e p r i n q p l e s o f t h e fi n i t e e l e m e n t m e s h l J j Ma h i u e r y D e s i g n Ma n u f a t u r e 2 0 0 0 1 3 4 3 6 8 J 曾春玲 李海宁 乳化液泵滑块的特点硬结构改进 n煤矿机械 2 0 0 6 2 3 2 2 3 2 3 Ca n Ch u n l i n g 1 i Ha l n i n g C I l a r a c t e r i s t k s a n t i s t r u c t u r e i mp 1 o v e n l e n t m a e mu l s i o n p u n l p ms s h e a l J C o a l Mi n e Ma c h i n e r y 2 0 0 6 2 3 2 2 3 2 3 州 州 m m 州川 州 上接 第 2 8页 Wa w g I u M t e l h g n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f f a t i g u e l i f e o f h u b b e a r i n g b a s e d 1 11 n mh i b e n c h l e s t l o a d D t t a n g z h o u Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f F e hI II d o g y 2 0 0 9 4 J 陈玉莲 速 角接触球轴