CN111985141A - 一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,包括以下步骤:滚道塑性接触有限元建模、滚道接触变形的数值分析、滚道接触变形数据的回归分析和滚道许用接触应力的确定,该有限元模型是为确定表面硬化滚道的塑性接触变形量与不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度之间的数学关系而建立的,由加载滚道、滚子和表面硬化滚道三个实体组成;本发明采用计算机数值计算确定滚道许用接触应力,可以根据需要任意设定表面硬化滚道的工艺参数,能够方便的获取确定许用接触应力所需的数据,本发明方法确定的许用接触应力具有更高的精度,且周期短、成本低、试样参数易控制,解决了转盘轴承承载能力校核计算缺乏许用接触应力的问题。
Description
技术领域
本发明涉及转盘轴承分析计算技术领域,更具体地说,涉及一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法。
背景技术
转盘轴承能够同时承受径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩载荷的作用,被广泛应用于风电机组、盾构机、起重机、堆料机等机械设备。显著不同于采用轴承钢制造并对套圈进行全淬透的滚动轴承,转盘轴承采用合金结构钢42CrMo制造,仅通过对滚道表面的淬火硬化处理来提高承载能力。由于表面硬化层的深度有限,表面硬化滚道的承载能力低于全淬透滚道,滚子类转盘轴承的滚子与滚道之间构成线接触,比滚道点接触的球类转盘轴承具有更高的承载能力;转盘轴承合理设计和正确选型是建立在对其承载能力进行准确力学分析的基础之上的,转盘轴承通常在低速重载条件下工作,静载荷承载能力是判定转盘轴承是否能承受极限静载荷能力的技术指标。
轴承的静载荷承载能力是建立在滚道的抗塑性变形能力的基础之上的,现有的轴承标准将滚动体与滚道接触中心处的塑性变形量限定在滚动体直径的0.0001倍,将引起该程度塑性变形量所对应的外部静载荷规定为轴承的额定静载荷。为便于轴承静载荷承载能力的计算,工程实际中将0.0001倍滚动体直径塑性变形量所对应的接触应力作为滚道许用应力,国家标准给出了全淬透轴承钢制造的轴承的许用接触应力,对于仅在滚道表面硬化处理的转盘轴承来说,许用接触应力尚无确定的取值或计算公式,常规确定材料许用接触应力的方法需要通过制作试样、加载试验和试验测试来完成,然而常规方法存在试样参数不易控制、测试精度不能满足要求、成本高、周期长等缺点,因此亟需一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法。
发明内容
有鉴于此,为解决上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,解决了转盘轴承承载能力校核计算缺乏许用接触应力的问题。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,包括以下步骤:
(1)滚道塑性接触有限元建模
该有限元模型是为确定表面硬化滚道的塑性接触变形量与不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度之间的数学关系而建立的,由加载滚道、滚子和表面硬化滚道三个实体组成,所述加载滚道和滚子设置为弹性材料,所述表面硬化滚道设置为弹塑性材料;
(2)滚道接触变形的数值分析
在滚子与表面硬化滚道接触的有限元模型中,对滚子直径、滚子载荷和硬化层深度设置成不同的参数进行分析计算,得到对应于不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度等输入参数的接触塑性变形数据,并运用Hertz接触理论计算得到施加的滚子载荷所产生的接触应力;
将有限元分析得到的塑性变形数据随硬化层深度和接触应力的变化情况绘制成散点图,得到塑性接触变形随接触应力的变化趋势和塑性接触变形随硬化层深度的变化趋势,根据的得到的变化趋势,设定塑性接触变形δ与接触应力p0、硬化层深度tc、滚子直径Dw之间关系的数学模型如下:
式中的参数k、b1和b2为待定常数;
(3)滚道接触变形数据的回归分析
为确定参数k、b1和b2,将式(1)的两边取对数,得:
根据有限元分析的模型参数和分析结果计算得到的n组观测数据:(x11,x21,y1),(x12,x22,y2),…,(x1i,x2i,yi),…,(x1n,x2n,yn),通过回归分析确定参数a、b1和b2;
二元线性回归方程残差平方和可以表示为:
将残差平方和分别对a和b1、b2求偏导数,并令相应的偏导数等于0,得到用步骤(2)的观测数据(x1i,x2i,yi)表示的a和b1、b2,根据a=lgk,进一步得到k的值,从而确定式(1)的具体形式;
(4)滚道许用接触应力的确定
令塑性接触变形量δ=0.0001Dw,则可以由式(1)计算得到许用接触应力的计算公式:
进一步的,步骤(1)中,在Ansys有限元分析软件中,有限元模型采用四面体结构固体单元SOLID187进行网格划分。
进一步的,步骤(1)中,在滚子与加载滚道之间进行接触设置,滚道面设置为目标面,采用目标单元TARGE170划分网格。
进一步的,步骤(1)中,滚子表面设置为接触面,采用8节点面-面接触单元CONTA174划分网格。
进一步的,步骤(1)中,表面硬化滚道的下表面施加全自由度约束,加载滚道和滚子施加水平面内的位移约束,在加载滚道的上表面施加均布载荷。
本发明的有益效果是:
本发明为确定表面硬化滚道的塑性接触变形量与不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度之间的数学关系建立了滚道塑性接触有限元模型,该模型由加载滚道、滚子和表面硬化滚道三个实体组成,所述加载滚道和滚子设置为弹性材料,所述表面硬化滚道设置为弹塑性材料,采用计算机数值计算确定滚道许用接触应力,可以根据需要任意设定表面硬化滚道的工艺参数,能够方便的获取确定许用接触应力所需的数据,本发明方法确定的许用接触应力具有更高的精度,且周期短、成本低、试样参数易控制,解决了转盘轴承承载能力校核计算缺乏许用接触应力的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为表面硬化滚道接触有限元实体模型;
图2为表面硬化滚道接触有限元网格模型;
图3为φ30mm×30mm的滚子作用下塑性接触变形随接触应力的变化趋势;
图4为φ40mm×40mm的滚子作用下塑性接触变形随接触应力的变化趋势;
图5为φ30mm×30mm的滚子作用下塑性接触变形随硬化层深度的变化趋势;
图6为φ40mm×40mm的滚子作用下塑性接触变形随硬化层深度的变化趋势;
附图标记:1、加载滚道,2、滚子,3、表面硬化滚道。
具体实施方式
下面给出具体实施例,对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,包括以下步骤:
(1)滚道塑性接触有限元建模
该有限元模型是为确定表面硬化滚道的塑性接触变形量与不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度之间的数学关系而建立的,由加载滚道、滚子和表面硬化滚道三个实体组成,所述加载滚道和滚子设置为弹性材料,所述表面硬化滚道设置为弹塑性材料;模型如图1和图2所示;
对于具有不同屈服应力的硬化层、过渡层和芯部组织分别赋予不同的弹塑性参数,在Ansys有限元分析软件中,有限元模型采用四面体结构固体单元SOLID187进行网格划分;在滚子与加载滚道之间进行接触设置,滚道面设置为目标面,采用目标单元TARGE170划分网格;滚子表面设置为接触面,采用8节点面-面接触单元CONTA174划分网格;表面硬化滚道的下表面施加全自由度约束,加载滚道和滚子施加水平面内的位移约束,在加载滚道的上表面施加均布载荷;
(2)滚道接触变形的数值分析
在滚子与表面硬化滚道接触的有限元模型中,对滚子直径、滚子载荷和硬化层深度设置成不同的参数进行分析计算,得到对应于不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度等输入参数的接触塑性变形数据,并运用Hertz接触理论计算得到施加的滚子载荷所产生的接触应力;
将有限元分析得到的塑性变形数据随硬化层深度和接触应力的变化情况绘制成散点图,得到塑性接触变形随接触应力的变化趋势和塑性接触变形随硬化层深度的变化趋势,如图3~6所示,根据的得到的变化趋势,设定塑性接触变形δ与接触应力p0、硬化层深度tc、滚子直径Dw之间关系的数学模型如下:
式中的参数k、b1和b2为待定常数;
(3)滚道接触变形数据的回归分析
为确定参数k、b1和b2,将式(1)的两边取对数,得:
根据有限元分析的模型参数和分析结果计算得到的n组观测数据:(x11,x21,y1),(x12,x22,y2),…,(x1i,x2i,yi),…,(x1n,x2n,yn),通过回归分析确定参数a、b1和b2;
二元线性回归方程残差平方和可以表示为:
将残差平方和分别对a和b1、b2求偏导数,并令相应的偏导数等于0,得到用步骤(2)的观测数据(x1i,x2i,yi)表示的a和b1、b2,设定显著性水平α=0.05,通过回归求解得到:
a=-3.5172,b1=-1.5534,b2=6.9843;根据a=lgk,进一步得到k的值,k=3.0397×10-4;
(4)滚道许用接触应力的确定
将k、b1和b2的值代入到式(1)得:
令塑性接触变形量δ=0.0001Dw,则可以由式(1')计算得到许用接触应力的计算公式:
[p0]=3.411×103Dw -0.0792tc 0.2224 (5)
本发明采用计算机数值计算确定滚道许用接触应力,可以根据需要任意设定表面硬化滚道的工艺参数,能够方便的获取确定许用接触应力所需的数据,本发明方法确定的许用接触应力具有更高的精度,且周期短、成本低、试样参数易控制,解决了转盘轴承承载能力校核计算缺乏许用接触应力的问题。
以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会根据实际情况有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)滚道塑性接触有限元建模
该有限元模型是为确定表面硬化滚道的塑性接触变形量与不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度之间的数学关系而建立的,由加载滚道、滚子和表面硬化滚道三个实体组成,所述加载滚道和滚子设置为弹性材料,所述表面硬化滚道设置为弹塑性材料;
(2)滚道接触变形的数值分析
在滚子与表面硬化滚道接触的有限元模型中,对滚子直径、滚子载荷和硬化层深度设置成不同的参数进行分析计算,得到对应于不同的滚子直径、滚子载荷和硬化层深度等输入参数的接触塑性变形数据,并运用Hertz接触理论计算得到施加的滚子载荷所产生的接触应力;
将有限元分析得到的塑性变形数据随硬化层深度和接触应力的变化情况绘制成散点图,得到塑性接触变形随接触应力的变化趋势和塑性接触变形随硬化层深度的变化趋势,根据的得到的变化趋势,设定塑性接触变形δ与接触应力p0、硬化层深度tc、滚子直径Dw之间关系的数学模型如下:
式中的参数k、b1和b2为待定常数;
(3)滚道接触变形数据的回归分析
为确定参数k、b1和b2,将式(1)的两边取对数,得:
根据有限元分析的模型参数和分析结果计算得到的n组观测数据:(x11,x21,y1),(x12,x22,y2),…,(x1i,x2i,yi),…,(x1n,x2n,yn),通过回归分析确定参数a、b1和b2;
二元线性回归方程残差平方和可以表示为:
将残差平方和分别对a和b1、b2求偏导数,并令相应的偏导数等于0,得到用步骤(2)的观测数据(x1i,x2i,yi)表示的a和b1、b2,根据a=lgk,进一步得到k的值,从而确定式(1)的具体形式;
(4)滚道许用接触应力的确定
令塑性接触变形量δ=0.0001Dw,则可以由式(1)计算得到许用接触应力的计算公式:
2.如权利要求1所述的一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,其特征在于,步骤(1)中,在Ansys有限元分析软件中,有限元模型采用四面体结构固体单元SOLID187进行网格划分。
3.如权利要求1所述的一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,其特征在于,步骤(1)中,在滚子与加载滚道之间进行接触设置,滚道面设置为目标面,采用目标单元TARGE170划分网格。
4.如权利要求1所述的一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,其特征在于,步骤(1)中,滚子表面设置为接触面,采用8节点面-面接触单元CONTA174划分网格。
5.如权利要求1所述的一种转盘轴承表面硬化滚道许用接触应力的确定方法,其特征在于,步骤(1)中,表面硬化滚道的下表面施加全自由度约束,加载滚道和滚子施加水平面内的位移约束,在加载滚道的上表面施加均布载荷。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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