向心关节轴承性能试验机的研制
薛红军++李玉稳++夏占++赵博
摘 要 为了验证特殊用途轴承在实际使用条件下的寿命，设计了一台轴承试验机。首先对实际使用条件下的轴承變形和应力进行了有限元分析，根据轴承应力分布特点，设计了多种轴承试验机方案，并对多种方案下的轴承应力应变进行了对比分析，优选了应力分布与实际使用条件相似的轴承试验机设计方案。
关键词 轴承；试验机；应力；方案
中图分类号 TH13 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）16-0064-02
特殊用途轴承是船上的关键设备之一，其寿命对系统的整体功能有重要影响。为了验证轴承在实际使用条件下的寿命，需要搭建轴承试验机，开展轴承疲劳寿命试验研究。
为了使轴承试验机的疲劳试验结果和实际使用寿命尽可能一致，要求试验机上轴承的受力状态与实际尽可能保持一致。因此，对实际使用条件下轴承的受力开展了详细有限元分析；根据实际状态下轴承受力的特点，设计了多种试验机方案，并分别开展了有限元分析。通过多方案的对比分析，确定了和实际工况最相似的试验机方案。
1 轴承及系统有限元模型
1.1 轴承有限元模型[1]
为了提高计算精度和效率。前后建了多种轴承模型。模型全部采用精度较高的六面体网格。为了提高接触应力计算精度，对接触区域进行了分区，对接触区域网格局部加密，以提高计算精度和效率。建立的轴承整体分析模型、对称分析模型。
1.2 实际应用系统有限元模型
实际应用中，轴承加外套，通过加载杆施加载荷，并在一个槽内滚动。载荷以表面力的方式施加于加载杆顶部，方向垂直向下；滚动槽的侧面位移受约束。为了详细计算轴承的载荷，设置了200多对接触副。计算得到的轴承应力见表1。
2 轴承试验机方案设计
2.1 双轮试验机方案
设计了双轮试验机，其有限元模型见图1。计算得到的轴承应力见表2。可以看出，双轮试验机方案中，滚子最大应力和实际工况相差约6%，而滚子侧向力与实际情况有很大差异。实际运行过程中，轴承滚子基本不受侧向力作用，而双轮试验机方案导致相当大的滚子侧向力，使滚子运行不稳定，导致早期疲劳失效。
2.2 单轮试验机方案
由于双轮试验机存在加工、安装等方面的误差，造成左右轴承载荷不一致，而且对安装位置和安装精度比较敏感，因此，将试验机改成单轮试验机。而为了使轴承在单轮试验机上的受力状态尽可能与实际工况一致，需要对单轮试验机的结构进行多方案设计。考虑的方案包括单轮简支加载、单轮悬臂加载、单轮单滑轨支撑、单轮双滑轨
支撑。
从单轮试验机的多方案计算结果看，与轨道上受力相比，单轮试验机滚子侧端面受较大作用力，在轴承旋转时，滚子会和侧端面产生摩擦，并导致滚子不规则运动，使轴承受力恶化。为了改进滚子受力状态，对单轮双滑轨支撑方案开展了多方案改进设计。主要的改进方向为飞轮接触面形状：
1）飞轮接触面左侧倒圆角，并且优化倒圆角的
位置；
2）飞轮接触面的坡度优化。通过计算，得到了单轮双滑轨支撑的较优方案：轮套悬空一定距离，并且大飞轮和轴承外套接触面设置一定的倾角。
优化方案的轴承应力见表3。
轴承滚子的应力分布对比见图2。
可以看出，单轮双滑轨方案的轴承滚子侧面受力明显小于双轮试验机系统，与实际使用工况的受力相当接近。疲劳试验的结果表明，设计的单轮双滑轨试验机上轴承的寿命与实际使用工况
相当。
3 结论
建立了实际使用工况、双轮试验机多方案、单轮试验机多方案的轴承应力分析有限元模型，并对轴承的受力进行了多方案的计算分析。结果表明：实际使用工况下，轴承的滚子基本不受侧向力作用，运行比较稳定；而双轮试验机上不论轴承是否对中，滚子侧向力都要比实际工况大得多。因此，采用双滑轨单轮试验机方案，并确定了具体参数，使轴承运行情况与实际工况相似。试验结果表明，优选试验机方案上的轴承疲劳寿命与实际使用寿命相近，表明试验机的设计是成
功的。
参考文献
[1]林金国，傅达，夏占，等.特殊用途重载轴承滚子型线参数的优选设计[J].船舶工程，2017（3）：35-39.endprint
