公平，張靜靜，劉海波，張瑞生

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱　150000）

　　摘　要：闡述了保持架發(fā)生斷裂的影響因素，以某型號圓柱滾子軸承保持架為例，提出改進保持架兜孔結(jié)構(gòu)設計的2種方案，并使用ANSYS對保持架結(jié)構(gòu)進行應力分析對比，同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)改進設計將工藝加工后的效果做出對比，選擇合適的改進方案。

　　關(guān)鍵詞：圓柱滾子軸承；保持架；結(jié)構(gòu)設計；ANSYS

　　據(jù)失效案例分析統(tǒng)計，保持架疲勞斷裂已逐漸成為軸承嚴重失效形式之一^[1]，特別是中大型主軸軸承。實體保持架的受力較為復雜，主要有滾子對保持架的作用力、套圈引導擋邊面對保持架的作用力以及非引導擋邊面的阻力等。

　　由保持架和滾動體運動的不穩(wěn)定性造成的高周疲勞使保持架發(fā)生斷裂，其一般都發(fā)生在兜孔過梁位置。在軸承運轉(zhuǎn)過程中，當滾動體的公轉(zhuǎn)速度與保持架的轉(zhuǎn)速不一致時，滾動體與保持架將發(fā)生碰撞^[3]。而這種動態(tài)運動是無法避免的，因此，應Z大程度上保證保持架的強度，特別是對于容易發(fā)生應力集中的兜孔過梁拐角處的設計，對于延緩保持架的破壞時間，延長軸承壽命將至關(guān)重要。

　　1　軸承保持架結(jié)構(gòu)設計改進

　　某型圓柱滾子軸承保持架的幾何尺寸見表1，40CrNiMoA材料特性見表2。結(jié)構(gòu)改進前兜孔過梁過渡處采用小圓角設計，過渡圓角半徑Z大為0．2mm。為減小應力集中，設計了2種改進結(jié)構(gòu)，一是將圓角半徑增大到0．8mm，二是將兜孔結(jié)構(gòu)更改為帶有越程槽的結(jié)構(gòu)。改進前、后的結(jié)構(gòu)如圖1所示（圖中單位均為mm，Z大是指加工允許的Z大值）。

　　2　有限元分析

　　2.1建模

　　根據(jù)保持架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，先后建立保持架兜孔結(jié)構(gòu)改進前、后的單個兜孔的三維模型，如圖2所示。

　　2.2網(wǎng)格劃分

　　將上述模型導入ANSYS中，采用SOLID186單元對上述實體進行網(wǎng)格劃分，對過梁連接處的圓角或越程槽結(jié)構(gòu)進行細化，分別如圖3和圖4所示。

　　2.3施加約束與載荷

　　滾子采用部分凸度的修形方式，為模擬圓柱滾子對保持架的沖擊力，對保持架兜孔過梁處一組節(jié)點構(gòu)成的接觸線施加線載荷，接觸線長度與滾子設計時有效長度相等，為7.8mm，此分析旨在研究同樣載荷條件下的過梁連接處結(jié)構(gòu)應力，因此，取法向載荷1170N，約束上下端面，如圖5所示。

　　2.4結(jié)果分析

　　結(jié)構(gòu)改進前、后的保持架兜孔應力云圖如圖6～圖8所示，由圖可知，在同一約束和載荷條件下，應力Z大值均在保持架的過梁拐角處。雖然3種結(jié)構(gòu)過梁處的應力值均小于材料的屈服極限815MPa，但具有差異性，其不同結(jié)構(gòu)下保持架過梁處Z大接觸應力見表3。改進后的兩方案均較大幅度地減小了兜孔過梁處的Z大應力。

　　3　加工方式與效果對比

　　保持架兜孔過梁拐角處若采用圓角過渡，傳統(tǒng)加工方式采用拉床拉削；若更改為越程槽結(jié)構(gòu)，則可采用加工中心進行鉆銑加工，越程槽部分采用鉆頭鉆削，兜孔工作表面采用銑刀加工。

　　經(jīng)測試表明，方案2加工質(zhì)量穩(wěn)定性高于方案1，且可以明顯提高保持架兜孔加工精度和表面質(zhì)量，其具體測試數(shù)值見表4，又由于方案2結(jié)構(gòu)更便于儲油和潤滑，故確定其為Z終改進結(jié)構(gòu)。

　　4　結(jié)束語

　　1）保持架薄弱環(huán)節(jié)主要在兜孔過梁處，其設計是不可忽略的環(huán)節(jié)，因此在保持架結(jié)構(gòu)設計時，既要保證兜孔過梁轉(zhuǎn)角不與滾子發(fā)生干涉，又要使過渡結(jié)構(gòu)的設計能夠Z大程度的減緩應力集中，有利于潤滑。

　　2）從越程槽結(jié)構(gòu)兜孔與增大圓角過渡結(jié)構(gòu)兜孔的對比分析可以看出，2種結(jié)構(gòu)均可大幅度減緩應力集中，效果相似，但鉆銑方式加工的精度明顯高于拉削加工。

　　3）選用越程槽結(jié)構(gòu)不但可以大幅度減少應力集中且易于保證加工精度，適用于圓柱滾子軸承保持架兜孔結(jié)構(gòu)的改進設計。

　　參考文獻：

　　[1]興長喜，孫民.航空發(fā)動機主軸軸承保持架疲勞斷裂機理[J].航空發(fā)動機，2002（2）：32-34.

　　[2]楊咸啟，劉文秀，李曉玲，等.高速滾子軸承保持架動力學分析[J].軸承，2002（7）：1-5.

　　[3]劉文秀，楊咸啟，陳貴.高速滾子軸承保持架碰撞模型與運動分析[J].軸承，2003（9）：1-5.

 來源：《軸承》2015年11期