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轉(zhuǎn)盤軸承是一種大型滾動軸承，與普通軸承相比，具有尺寸大、承受著多方向的力與傾覆力矩作用等特點(diǎn)。本文所設(shè)計的軸承，應(yīng)用在海上石油機(jī)械上，處于海下環(huán)境，對軸承的安全性和尺寸精度有很高的要求。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤軸承設(shè)計一般采用經(jīng)驗法，本文所設(shè)計的三排圓柱滾子式轉(zhuǎn)盤軸承，采用經(jīng)驗法與有限元分析法相結(jié)合。在利用經(jīng)驗法設(shè)計出轉(zhuǎn)盤軸承基本結(jié)構(gòu)、保證安全性的基礎(chǔ)上，用有限元方法對轉(zhuǎn)盤軸承的螺栓安裝孔進(jìn)行靜力分析，驗證設(shè)計的合理性。兩種方法的結(jié)合可以提高轉(zhuǎn)盤軸承的設(shè)計效率和降低軸承的設(shè)計與制造成本，使軸承在滿足承載能力的要求下，還符合綠色化的要求，同時，也為其它軸承的設(shè)計和改進(jìn)提供了參考依據(jù)。
根據(jù)客戶提供的載荷、使用場合及與軸承的連接結(jié)構(gòu)，采用三排圓柱滾子式轉(zhuǎn)盤軸承。該類軸承主要應(yīng)用于負(fù)荷較大的場合中，其中，兩個方向的軸向力以及傾覆力矩主要由上下兩排水平滾子承受，徑向力則由垂直布置的第三排滾子承受。因此類軸承滾道接觸形式為線接觸，接觸應(yīng)力很低，變形量(包括端面變形量)很小，故承載能力很高。軸承內(nèi)外圈材料采用42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度：240-290HB，滾子采用GCr15SiMn，鑄鋁隔離環(huán)，滾道表面進(jìn)行表面淬火，硬度53-60HRC，有效硬化層深度，軸向不低于5mm，徑向不低于3mm。軸承內(nèi)部填充潤滑脂。為了防止軸承內(nèi)部潤滑脂泄露，及外部海水和其他雜質(zhì)的進(jìn)入，兩個外圈連接處采用兩個O圖1軸承結(jié)構(gòu)型圈密封。內(nèi)外圈采用單獨(dú)設(shè)計的密封圈進(jìn)行密封，此密封圈帶有復(fù)唇，可提高密封效果。
使用分析軟件ANSYS對轉(zhuǎn)盤軸承進(jìn)行靜力分析。首先要建立軸承的有限元分析模型，獲得分析模型的方法主要有3種途徑：實體建模、直接建模和利用軟件提供的數(shù)據(jù)接口從其他CAD系統(tǒng)中導(dǎo)入實體模型。本文采用Pro/e軟件進(jìn)行建模，之后利用數(shù)據(jù)接口將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中。在建模的過程中，將不影響分析結(jié)果的倒角、倒圓等忽略。選擇Solid92單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，此單元為三維實體10節(jié)點(diǎn)四面體單元，是帶有中節(jié)點(diǎn)的二次單元。
軸承的材料為42CrMo，在材料屬性中輸入材料的彈性模量為“2.12e11”、泊松比為“0.28”，采用自由網(wǎng)格劃分，得到軸承的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。
轉(zhuǎn)盤軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，受到軸向力、徑向力以及傾覆力矩作用，力及力矩通過螺栓施加到螺栓孔壁上，由于轉(zhuǎn)盤軸承的受力分析比較復(fù)雜，通過合理的簡化，我們采取極限應(yīng)力進(jìn)行分析，分析針對內(nèi)圈螺栓孔壁。
為了分析螺栓孔內(nèi)壁的厚度是否滿足要求，根據(jù)模擬的實際情況，將內(nèi)圈徑向滾子的接觸面進(jìn)行全約束。
根據(jù)客戶提供的載荷，將最具有破壞力情況的載荷進(jìn)行等效加載，此時力的大小為：495kN。
為了模擬實際的情況，將等效的壓強(qiáng)加載到一個安裝孔的半側(cè)面上。將力等效為壓強(qiáng)，可以得到：P=131.2MPa。將等效的壓強(qiáng)加載到模型中，得到約束和加載圖如圖3所示。
從計算結(jié)果中提取模型的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖4所示，單元應(yīng)力云圖如圖5所示。從分析結(jié)果中看出，軸承最大節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力為：236.723MPa，最大單元等效應(yīng)力為：264.385MPa，而42CrMo的許用應(yīng)力310MPa。所以螺栓孔壁厚滿足要求，并且具有一定的優(yōu)化空間。
本文通過軸承的設(shè)計與分析得到如下結(jié)論：1)根據(jù)軸承的使用場合、載荷大小等要求，設(shè)計了三排圓柱滾子式轉(zhuǎn)盤軸承。2)利用有限元分析軟件ANSYS對轉(zhuǎn)盤軸承的螺栓安裝孔進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過分析，得到了最大應(yīng)力的部位和數(shù)值。3)通過ANSYS驗證了經(jīng)驗法設(shè)計軸承的合理性。4)分析結(jié)果，為軸承設(shè)計以及與其相鄰裝配零部件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了科學(xué)的參考依據(jù)。
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