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混合陶瓷角接触球轴承静力分析 喻炜 （天津大学机械工程学院，天津 300072） 摘要：通过细化接触区局部网格建立兼顾精度和效率的混合陶瓷角接触球轴承局部有限元模型，分析该轴承受轴向载荷时的 应力场，分析不同轴向载荷下该轴承的接触角、轴向趋近量、接触载荷和最大接触应力并与理论值对比。结果显示接触角、轴向 趋近量、接触载荷和最大接触应力的有限元分析（FEA）结果与理论计算结果吻合。 关键字：混合陶瓷球轴承；有限元法；静力分析；ABAQUS 0 引 言 在高速工况下（DN 值大于 1M），陶瓷球轴承性能优于钢轴承，因为陶瓷密度只有钢的 41% ，陶瓷球所受离 心力为钢球的 [1] 41% 。由于陶瓷和钢材料性能上的差异，经典分析理论 不适用于陶瓷球轴承。预测复杂工况下（如 考虑摩擦、离心力、热效应）陶瓷球轴承的疲劳寿命需要知道轴承接触区表面下的应力场，一种可行思路是将稳 态温度场、稳定运转工况下的球与套圈的接触载荷和接触角、摩擦等效加载于陶瓷球轴承静力分析有限元模型， 这就需要以对简单载荷下陶瓷球轴承进行精确的静力分析为基础。 本文主要目标是建立兼顾精度和计算效率的混合陶瓷角接触球轴承三维有限元模型，为后续引入摩擦、热、 离心效果的混合陶瓷球轴承有限元分析奠定基础。用该模型分析轴向载荷对混合陶瓷角接触球轴承的接触载荷、 接触应力、接触角和轴向弹性趋近量的影响，并将 FEA 结果与理论结果对比。 1 三维局部有限元模型 1.1 模型简化与假设 为方便与 Harris 理论[1] 比较，以混合陶瓷角接触球轴承 7218B/HQ1 为算例，所做简化与假设如下： (1) 滚动轴承塑性变形小，假设材料为线弹性。 (2) 不考虑倒角、圆角等对静力接触分析影响不大的几何特征。 (3) 考虑只受轴向载荷，则每个球所受载荷相等，因此可取包含一个球的局部轴承模型进行分析。 (4) 在静力分析中，保持架作用不大，因此，忽略保持架。 (5) 静力分析中摩擦力对结果影响不大，不考虑摩擦。 轴承几何尺寸如表 1 所示，局部轴承模型如图 1 所示。 表 1 几何尺寸 表 2 材料性能参数 1.2 材料性能参数 轴承滚珠材料为氮化硅，内外套圈材料为轴承钢 GCr15 ，两种材料的性能参数列于表 2 。 1.3 接触定义 在 ABAQUS 表面-表面面接触定义中，主面一般选刚度大或网格相对疏些的表面。因此，以刚度大的球表面 为主面，内外圈滚道表面为从面分别建立表面-表面接触对。 1.4 分析步、边界条件与载荷 为了方便施加载荷与边界条件，将内圈内圆柱面定义为刚性面，并为该刚性面指定参考点，对参考点施加载 荷和边界条件，对参考点施加的载荷和边界条件将等效到与该参考点对应的刚性面上。 在静力接触问题分析中，初始接触状态还没建立起来，可能会产生不确定的刚体位移，导致分析不收敛。常 用消除不确定刚体位移方法有三：（ 1 ）给接触局部以一定的初始过盈，以在分析之初就建立接触约束；（2 ）给可 能发生刚体位移的零部件加适当的接地弹簧约束，弹簧刚度相对很小，从而消除刚体位移而又不影响分析结果； （ 3 ）给可能发生刚体位移的零部件施加临时位移边界条件，建立稳定的接触约束后再将临时边界条件去除。本文 综合采用方法（ 1 ）（3 ），分二个分析步：第一步，通用隐式静态分析步。在装配时使球与内外圈分别产生 0.005mm 的过盈量；对内圈内圆柱刚性面施加轴向位移边界条件；约束球局部节点和外圈底面节点的 3 个位移自由度；对 内外圈的截面施加对称约束；第二步，通用隐式静态分析步。撤销内圈位移边界条件；撤销球上局部节点的自由 度约束；给内圈内圆柱刚性面参考点施加轴向集中力。 1.5 单元选取与网格划分 由于包含接触问题，对参与接触部分（Cell ）采用三维六面体 8 节点非协调单元 C3D8I ，以获得更好应力解和 避免沙漏问题。其余部分采用增强沙漏控制的三维六面体 8 节点减缩积分单元 C3D8R 。对接触区域局部进