軸承摩擦研究論文

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1鋼絲滾道球軸承摩擦力和摩擦力矩產(chǎn)生機(jī)理

滾動(dòng)軸承在工作的過程中，由于受到預(yù)緊和工作載荷的作用，會(huì)產(chǎn)生摩擦，摩擦的主要形式有以下幾種：

(1)彈性滯后引起的滾動(dòng)摩擦：滾珠在載荷的作用下沿滾道表面滾動(dòng)，接觸表面下的材料產(chǎn)生彈性變形。在接觸消除后，彈性變形的主要部分恢復(fù)。但是，通常在載荷增加時(shí)，給定應(yīng)力所對應(yīng)的變形總量總是小于載荷減小時(shí)的變形，稱為彈性滯后，反映了一定的能量損失，表現(xiàn)為滾動(dòng)摩擦阻力。

(2)差動(dòng)滑動(dòng)引起的摩擦：若接觸面上任意單元面積的切向力與接觸壓力成正比，可以推出滾動(dòng)體沿軸承滾道滾動(dòng)時(shí)因?yàn)椴顒?dòng)滑動(dòng)所引起的摩擦力矩。

(3)自轉(zhuǎn)滑動(dòng)所引起的摩擦：對于滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠沿套圈滾道可能產(chǎn)生繞接觸面法線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由此引起的滑動(dòng)，成為自旋滑動(dòng)。同時(shí)由自旋滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦力和摩擦力矩。

(4)潤滑劑的粘性摩擦：潤滑劑和潤滑方式對軸承摩擦力和摩擦力矩具有重要的影響。由于潤滑劑的作用，滾動(dòng)體與鋼絲滾道之間形成彈性流體動(dòng)力潤滑膜，各個(gè)滑動(dòng)接觸部位的摩擦系數(shù)有所改變。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體通過充滿油氣混和物的空間，受到繞流阻力，成為擾動(dòng)阻力，產(chǎn)生摩擦力和摩擦力矩。

2鋼絲滾道球軸承工作工程有限元仿真

在充分考慮鋼絲滾道球軸承在工作過程中的預(yù)緊，摩擦等因素，在ANSYS里建立起單球雙滾道，得到良好的接觸形態(tài)，并對其摩擦狀態(tài)進(jìn)行了有效的仿真分析。

2.1單球雙滾道接觸有限元模型的建立

由于鋼絲滾道球軸承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了建模分析方便，同時(shí)為了突出觀察得主要內(nèi)容。首先考慮對滾動(dòng)體與相對的兩根鋼絲滾道這種簡單情況進(jìn)行建模仿真。

(1)實(shí)體模型建立。

同樣為了簡化計(jì)算，突出重點(diǎn)，我們只需要考慮其中的一個(gè)滾動(dòng)體的情況進(jìn)行仿真。考慮所研究的鋼絲滾道球軸承屬于密珠軸承且尺寸較大，鋼絲滾道的曲率半徑對滾動(dòng)體與滾道接觸的分析影響較小，所以可以首先把鋼絲滾道作為直線滾道處理。為了能方便的施加自由度約束和載荷，同時(shí)也為了以后觀察結(jié)果的方便，建模中，滾動(dòng)體取半個(gè)滾珠進(jìn)行建模，同時(shí)只取與滾動(dòng)體相接觸的兩鋼絲滾道的各四分之一。實(shí)體模型建立如圖1。

(2)網(wǎng)格的劃分。

對軸承的點(diǎn)接觸問題進(jìn)行分析中，鋼絲滾道和滾動(dòng)體均采用了SOLID92單元，這樣的單元?jiǎng)澐謱Ψ治鳇c(diǎn)接觸問題既精確又便于突出點(diǎn)接觸部分的細(xì)節(jié)。在單球雙滾道模型中，因?yàn)椴坏┘宇A(yù)緊的載荷產(chǎn)生接觸應(yīng)力，還要使鋼絲滾道有相對運(yùn)動(dòng)來模擬實(shí)際工作中軸承的情況，所以在單球雙絲鋼絲滾道球軸承的有限元模型中，鋼絲滾道的網(wǎng)格劃分采用了沿鋼絲軸向相對規(guī)則的單元——SOLID185。最后網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2。

2.2單球雙滾道接觸有限元模型仿真結(jié)果分析

(1)預(yù)緊的過程。

在第一個(gè)載荷步的施加的過程中，通過給兩根鋼絲滾道中心軸線0.3mm的相對位移，來達(dá)到對單球雙絲鋼絲滾道球軸承的預(yù)緊的效果。仿真與實(shí)際工程應(yīng)用一樣，可以對預(yù)緊量的大小進(jìn)行調(diào)解，使得變形量，預(yù)緊力大小控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。這是因?yàn)轭A(yù)緊量過小，可能使工作過程中，滾動(dòng)體與滾道之間出現(xiàn)間隙，產(chǎn)生沖擊，影響軸承的正常工作。預(yù)緊量過大，可能使預(yù)緊力過大，使鋼絲或者滾動(dòng)體產(chǎn)生較大的塑性變形，也不利于軸承的正常工作和延長軸承的使用壽命。

從圖3可以看出，在預(yù)緊的作用下，鋼絲滾道與滾動(dòng)體所產(chǎn)生的預(yù)緊壓力最大值為3170MPa，而預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力最大值為36.2MPa，遠(yuǎn)小于預(yù)緊壓力的值。這是因?yàn)轭A(yù)緊的過程中，由于對滾動(dòng)體的約束，滾動(dòng)體與兩根鋼絲滾道之間基本沒發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，所以摩擦作用很微弱。從圖4接觸區(qū)應(yīng)力云圖可以看出：鋼絲滾道與滾動(dòng)體之間產(chǎn)生1850MPa的預(yù)緊應(yīng)力，該應(yīng)力足以保證在正常工作工程中，滾動(dòng)體與鋼絲滾道之間不至于產(chǎn)生間隙。同時(shí)從放大的應(yīng)力云圖可以看出，相同的材料下，鋼絲滾道的預(yù)緊應(yīng)力要遠(yuǎn)大于滾動(dòng)體中的預(yù)緊應(yīng)力。

(2)正常工作過程中的仿真分析。

為了模擬軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)工作情況，在單球雙絲的有限元模型中，施加第二個(gè)載荷步，兩根鋼絲沿軸線方向上的相對位移。

從圖5和圖6我們可以看出，工作過程中產(chǎn)生的接觸壓力最大值為3360MPa，而工作過程中產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力最大值為57.7MPa。接觸壓力和摩擦應(yīng)力相比預(yù)緊時(shí)增幅均不大，這說明該模型的滾動(dòng)形態(tài)比較好，產(chǎn)生的摩擦的影響較小。從圖7和圖8可以看出。工作過程中，最大應(yīng)力為2080MPa，比只在預(yù)緊作用下靜壓的狀態(tài)的應(yīng)力稍大。考慮到滾動(dòng)體與鋼絲滾道之間存在0.3的摩擦系數(shù)，在有相對運(yùn)動(dòng)的過程中要產(chǎn)生一定的摩擦阻力，應(yīng)力略有增大是很合理的。

同時(shí)從仿真的結(jié)果可以看出，由于存在相對運(yùn)動(dòng)，鋼絲與滾動(dòng)體之間產(chǎn)生摩擦，由于摩擦的存在，使接觸區(qū)相對于靜態(tài)情況下產(chǎn)生了一定的變化。具體體現(xiàn)在：首先，接觸區(qū)域影響區(qū)域變大。在靜態(tài)情況下，接觸應(yīng)力僅在接觸點(diǎn)附近很近的很小的范圍內(nèi)存在，此處應(yīng)力值很大，隨著與接觸區(qū)的距離的增加，接觸體內(nèi)的接觸應(yīng)力就迅速減小到可以忽略的程度，這與非協(xié)調(diào)接觸理論定性分析的經(jīng)典定理——圣維南定理相吻合。而在工作過程中，產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)和摩擦的情況下，接觸區(qū)有應(yīng)力的范圍大大的增加，這是因?yàn)椋谙鄬\(yùn)動(dòng)的過程中，接觸區(qū)的接觸應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的屈服極限，所以運(yùn)動(dòng)的過程中，接觸區(qū)將產(chǎn)生塑性變形，在脫離接觸區(qū)后，仍舊有一定的殘余變形，從而導(dǎo)致有一定的殘余應(yīng)力。

(3)鋼絲滾道滾動(dòng)路徑上某點(diǎn)沿徑向的位移。

用時(shí)間歷程后處理器進(jìn)行觀察如圖9，圖10，取鋼絲滾道與滾動(dòng)體相對運(yùn)動(dòng)路徑上的某點(diǎn)為研究對象。從鋼絲上點(diǎn)的變形隨時(shí)間的變化情況可以看出：由于接觸應(yīng)力超過了材料的屈服極限，上下滾道均產(chǎn)生塑性變形。主動(dòng)鋼絲上的塑性變形約0.12mm，固定鋼絲上的塑性變形約0.08mm。主動(dòng)鋼絲上產(chǎn)生的塑性變形要大于固定鋼絲上產(chǎn)生的塑性變形，這與我們模型施加載荷的方式有關(guān)，由于所施加的預(yù)緊和鋼絲之間軸向的相對位移均加在上鋼絲上，從而使該鋼絲產(chǎn)生的應(yīng)力要大于被固定的鋼絲中的應(yīng)力，因此，塑性變形的量也要略大。

顯然，通過單球雙滾道鋼絲滾道球軸承的仿真，得到了靜態(tài)預(yù)緊和工作過程中的接觸應(yīng)力分布，了解了軸承工作過程中的摩擦狀況，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了一定的看法，但是，理論的模擬只是一種驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)的認(rèn)證分析是必須的。

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摘要：闡述鋼絲滾道球軸承在工作過程中主要的摩擦形式的基礎(chǔ)上，采用大型有限元分析軟件對單球雙滾道鋼絲滾道球軸承的摩擦狀態(tài)進(jìn)行了初步的仿真分析。

關(guān)鍵詞：軸承；摩擦；仿真