基于虚拟样机技术的滚滑轴承动力学仿真分析

2012-07-21卢黎明龚贺师熊国良马冰冰

轴承 2012年10期

卢黎明，龚贺师，熊国良，马冰冰

(华东交通大学机电工程学院，南昌 330013)

轴承是机械装备中的重要基础件，在生产实践中使用十分广泛。然而在一些低速重载工作环境中，轴承的疲劳磨损问题十分严重[1]，为此在文献[2]研究的基础上进行了深入研究，设计了一种滚滑轴承[3]，其主要由外圈、滚子、滑块和内圈组成。有关滚滑轴承的一些性能，如运动平稳性，在受力运转过程中滚子和滑块的受力情况等亟待确定。

针对滚滑轴承的受力运动情况，运用Pro/E软件进行滚滑轴承三维实体建模，然后利用虚拟样机技术的ADMAS虚拟样机分析软件进行滚滑轴承运动学和动力学动态仿真，分析研究滚滑轴承的运动平稳性和其元件的受力情况，为滚滑轴承的进一步深入研究和实际使用提供理论依据。

1 虚拟样机技术

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，其核心部分是多体系运动学与动力建模理论及其技术实现。它是在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术[4-5]。

虚拟样机通常包括3个主要模块：(1) 3D立体模块，具备完善的物理模型描述能力；(2)人际交互模块，虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础,实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互；(3)测试评估模块，产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心，主要包括产品可制造性分析和产品性能评价,例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、可加工性分析、可装配性分析及可维护性分析等等。

2 滚滑轴承的建模与仿真

2.1 几何模型的建立

滚滑轴承由内圈、外圈、圆柱滚子和滑块组成，结构参数为：轴承内径38.35 mm，轴承外径77.8 mm，轴承宽度23 mm，滚子直径11.9 mm，滚子长度28.6 mm,滑块高度11.9 mm，滑块中心弧长28.4 mm，滑块宽度21.05 mm，滑块外弧直径62.14 mm，滑块内弧直径57.77 mm，滚子数6个，滑块数6个。通过这些结构参数的设定，滑块可承担大部分载荷，能降低滚子与套圈的接触应力；滑块与滚子为相隔分布，这样内、外圈上的滑动摩擦是间断性的，散热性好。

根据上述条件，运用Pro/E软件进行建模，得到滚滑轴承的立体模型如图1所示。

2.2 虚拟样机的建立

将在Pro/E中建好的模型另存为x_t格式,然后导入ADAMS中，由于导入ADAMS中的几何模型为曲面模型，故须对其进行实体化。假定滚滑轴承材料为45#钢,外圈与大地采用固定副连接，这样可以使外圈固定不动；内圈采用转动副连接，并且对其赋予恒定转速；施加于内圈上的载荷为恒定载荷。由于滚子、滑块、内圈和外圈之间在运动时会产生碰撞，利用 ADAMS 软件中的三维实体接触类型solid to solid 选项来定义它们的碰撞力。将Pro/E中建好的模型及上述条件导入ADAMS中，得到滚滑轴承虚拟样机如图2所示。

图1 滚滑轴承立体模型

2.3 动态仿真

在上述滚滑轴承虚拟样机的基础上，设定滚滑轴承的转速为1 400 r/min，轴承内圈受到的恒定载荷为1 000 N，代入ADAMS 软件进行滚滑轴承的运动学和动力学仿真，可得滑块随时间的振动位移如图3所示，滚子随时间的振动位移如图4所示，滑块随时间的受力情况如图5所示，滚子随时间的受力情况如图6所示。

图2 导入ADAMS中的滚滑轴承

图3 滑块的振动位移

图4 滚子的振动位移

图5 滑块的受力情况

图6 滚子的受力情况

3 仿真结果分析

由图3及图4可知，在0～ 0.3 s，滚子和滑块并未随内圈的转动而转动，其原因是摩擦力影响，在0.3 s后，克服了摩擦力开始随内圈的转动而转动，这符合滚滑轴承的实际转动情况。另外，从图中还可以看出滚子和滑块上下振动幅度较小，振幅在0.5 mm左右，由此可知：滚滑轴承运行比较平稳，能有效避免产生大量的热量和噪声。

由图5可知，当滑块处于最底端，滚滑轴承刚启动时，滑块平均受力1 000 N，图中波形比较稳定，没有出现较大的波动，随着滑块位置的上升，其受力逐渐减少，最后稳定在500 N左右，符合实际情况。由图6可知，滚子平均受力50 N，滚子受到的力远远小于滑块受到的力。由此可以看出，滚滑轴承受力部分主要是由滑块承担，这样可有效减小滚子的接触应力，与设计初衷很吻合。