偏载对高炉布料器上回转支承动力学分析

关丽坤, 刘振业，任学平

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头014000)

0 前言

交叉圆柱回转支承可以承受较大径向载荷和轴向载荷、倾覆力矩等联合载荷作用，故被广泛应用于旋转高炉回转支承。其中上回转支承是高炉旋转布料器在工作中不可或缺的承载零件，常用于控制驱动溜槽旋转和倾动，在工作状态中有着承上启下的作用，属于承接型轴承，由于长期处于高温、高压、重载的工作环境中，故障发生概率较大，且拆卸和装配都需耗费大量时间和人力资源，验证回转支承失效原因就显得十分重要。

高炉旋转布料器上回转支承损坏状态通常表现为滚动体磨损、断裂，从而造成滚道点蚀、磨损。炉料冲击和运行环境的变化都会导致回转支承中心线发生偏斜，导致滚子产生偏载效应，应力集中的出现如图1所示。本文针对图1 所示某厂滚子滚道失效情况，研究高炉回转支承布料器滚子的受力和运行。

图1 滚子滚道失效图

丁长安等[1]利用光滑弹性点接触理论，经过推导研究得到设置解除区域的合适参数，从而计算出有关弹性接触的弹性趋近量。杜睿等[2]使用求解方法解出单排接触球型回转支承的滚动体受力分析，并得出承载能力公式。李华帅[3]利用Adams软件，将回转支承中夹套式滚子柔性体，整体进行刚柔耦合仿真分析，从而得到滚子轮压。宗海勇等[4]利用Abaqus对回转支承部分损伤模型进行数值仿真，验证模型合理性，对滚道损伤研究提供一种研究方法。衣凰[5]应用Adams软件对挖掘机的回转支承进行动力学仿真研究，得到滚子和滚道在不同工作状态下的接触力和摩擦力矩分布情况。周明星[6]通过利用Ansys做出柔性体将Adams模型置换为刚柔耦合模型后，分析出滚子的接触力分布情况。Flasker等[7]用数值模拟的方式对回转支承裂纹进行研究，得出裂纹分布和载荷分布的影响。Rezaei等[8]研究了往复运动情况下回转支承间隙和接触应力的关系和对动力学的影响。丁龙建等[9]利用Abqus有限元软件非线性接触进行模拟回转支承，结果和理论值对比分析。曾维霆等[10]利用解析法为承受偏载的回转支承提供理论支持。结合文献[1～10]并进行比对，提出偏载可能是导致滚子滚道失效的重要原因之一，并以此作为研究切入点进行动力学仿真。

1 回转支承载荷等效

极限位置3°与55°中，溜槽在55°时回转支承所受轴向力最大，不同偏载条件下变化最为明显，故选择溜槽55°时回转支承的受力为力学参数。如图2所示G为溜槽内矿料重量，取2 573 kg；G0代表溜槽及托架组合重量，取8 063 kg；FC代表矿料冲击力，取835 kg，N为耳轴转套对耳轴的支承力。

图2 55°时溜槽耳轴组合重心分析模型

根据图纸所示溜槽55°时回转中心与重心连线与垂直轴夹角α2=32.14°。

根据受力分析，上回转支承只承受轴向力和径向力。耳轴转套的重心应该有少许偏离垂直对称轴，但偏心重量应该不大，此处计算忽略耳轴转套的偏心重量。

2 回转支承动力学仿真分析

2.1 高炉上回转支承三维模型建立

本文研究的上回转支承机构滚子排布如图3所示，整个上回转支承机构由滚柱滚动体、隔离块、内圈和外圈组成，滚动体部件沿着内圈呈现对称分布。在上回转支承运行时，滚柱滚动体沿着内圈滚道进行公转，且每个滚柱滚动体沿着自身回转轴进行自转。

图3 上回转支承滚子排布局部简图

由于滚柱滚动体在回转支承上呈现均匀对称分布状态，且交叉排布，考虑到节省计算机资源，故以90°为间隔单元分别取排列正反方向各4个滚柱滚动体为研究对象。其中滚子轴线和回转中心中轴线夹角小于90°设为正方向，大于90°设为反方向。将内圈质心处建立在总体坐标系e，其圆周面建立在xy平面，选择以轴竖直向上方向为正方向，通过装配体的建立得到交叉圆柱滚子和其余部件配合方式。

2.2 高炉上回转支承刚柔耦合模型理论

高炉上回转支承滚柱滚动体中的滚子全部围绕回转支承中心做滚动运动，偏载和摩擦会让滚子和导轨之间发生碰撞接触，导致滚子速度变化。而通过对滚柱滚动体柔性化设置，会更贴近实际变形情况，提高了仿真的真实可靠性。刚柔耦合模型是基于柔性体离散化所建立的，柔性体部件的基本变形可以用局部变形相对于总体坐标系e=[x,y,z]的变化，上回转支承机构柔性体，欧拉坐标ψ=[ψ,θ,φ]用来反映部件的位置，柔性体弹性变形可用模态坐标q={q1,q2,…qM}(qi为第i阶模态坐标)，高炉旋转布料器上回转支承柔性体广义坐标为

(1)

在柔性体上设置一点，其位置可表示为

ri=x+A(si+φiq)

(2)

式中，A为物体坐标系转换到惯性坐标的矩阵；si为i点未变形的位置。

将式(2)进行求导可得出该点的移动速度为

节点i的角速度可以用变形角速度相加物体刚度角速度表示，即

式中，φ′是对应结点i对应转动自由度的模态矩阵子块。

2.3 求解流程

柔性体的建立可以通过Adams/Flex模块做柔性化处理，但是复杂模型柔性化结果不够精确，而通过Ansys、Abaqus将模型柔性化会更加实用，本文采用Abaqus软件进行部件柔性化，在Soldworks对上回转支承建立模型后，将上回转支承滚子模型导入Abaqus中进行有限元模型创建，生成柔性体。考虑到主要研究滚子变形及其运动方式，且内外圈变形相对较小，隔离体近乎不与回转支承内外圈进行接触，故进行进一步分析过程中将内外圈和隔离体保留为刚体。

整体上回转支承机构材料为42CrMo钢，属于超高强度钢，具有高强度和韧性，在Abaqus前处理时需要定义材料属性，定义如下：弹性模量E=212 GPa，泊松比V=0.28，密度ρ=7.85×103kg/m3。根据滚子形状规则且有对称中心，故采用中性轴算法，四面体单元进行划分网格，为节约计算机资源选择最小网格过度选项。

网格划分结束后，需要把外部节点和刚性区域建立在上回转支承滚动体上，Adams会针对外部节点和刚性区域分别施加载荷约束和驱动，在根据Abaqus生成的中性文件，通过和Adams输出口链接导入其中，并替换相应位置的刚性文件，其中回转支承滚动体的刚度、节点位置、频率、质心都会保留在中性文件中。将上回转支承滚子模态中性文件替换Adams中的刚性滚部件，并将其材料属性修改为所需属性材料，将替换文件后的模型添加运动副，运动副类型如表1所示。

表1 上回转支承部件关键约束

将所计算载荷添加加入模型中，结合真实运动方式对模型施加驱动，验证模型正确性，确保没有过约束和受力重合的现象出现，模拟仿真，并验证模型的运动副施加情况是否与现实应用情况相吻合，最后确定具体接触设置参数，参数如表2所示。

表2 上回转支承部件接触设置

3 仿真结果分析

3.1 偏载角度对滚子和内圈接触力的影响

高炉旋转布料器上回转支承机构在工作阶段，不同的偏载角度将会对交叉滚柱上回转支承的正反向各4个滚子与内圈接触力产生影响，图4a为正向1号滚子和内圈所在空间接触力的变化图像；由图4b可知，正方向滚子和内圈的接触力随偏载角度的增大而增大；图4c反应反方向滚子和内圈接触力也随着偏载角度的增大而增大，过大的接触力可能会导致滚子卡死，对滚子和滚道产生损害。

图4 滚子和内圈接触力变化

3.2 偏载角度对滚子和外圈接触力的影响

高炉旋转布料器交叉滚子上回转支承机构在回转支承外圈和水平方向有不同偏载角度，正反两个方向的滚子和外圈的接触力也会发生变化，这也可能是导致机构失效的重要原因，由图5a可知，正方向1号滚子和外圈接触力也随着偏载角度的增大而增大，整体增大趋势同滚子和内圈相同，对4个正向滚子和滚道图5b表明正向滚子和外圈接触力都随角度增大而增大。图5c反向滚子和外圈接触力也随偏载角度增大而增大。过大的接触力可能是导致回转支承失效的重要原因之一。

图5 滚子和外圈接触力变化

3.3 不同偏载角度下滚子强度分析

通过有限元方法，将Adams中计算的所有滚子应力最大值提取，通过Ansys有限元计算得到应力，再进行强度分析，并采用相关准则对其进行强度评价。该研究可以为工程当中回转支承滚子设计、改进、优化以及实验检测提供理论指导和依据。根据滚子的工作条件，滚子载荷有三种工况，其大小分别为1 364 N、2 161 N、4 674 N。三种工况载荷施加方法相同，以载荷1 364 N的施加作为示例。载荷施加在滚子的上滚道的上表面，大小为1 364 N，方向竖直向下。

当完成网格划分、材料属性设置、约束设置、载荷加载后即可对回转支承滚子强度进行仿真分析，分别得到1 364 N(工况1)、2 161 N(工况2)、4 674 N(工况3)三种工况下应力云图，如图6所示。三种载荷条件下的最大等效应力分别为11 MPa、18 MPa、39 MPa。滚子的材料42CrMo为塑性材料，塑性材料失效的评价准则为最大等效应力小于屈服强度，因此采用屈服极限作为其性能失效判据，42CrMo的屈服强度为930 MPa，可以看出三种工况下滚子的最大等效都小于其屈服强度，因此，回转支承偏载不会马上让滚子产生失效，可以考虑滚子失效是疲劳、热等其他原因产生的。

图6 三种工况下回转支承滚子应力图

4 结论

(1)对不同偏载角度下的旋转布料器交叉滚柱回转支承进行动力学仿真，得出两个方向滚子和内外圈接触力随偏载角度的增大而增大。

(2)将接触力导入Ansys Workbench进行强度分析，对回转支承滚子三种载荷工况进行有限元计算分析，分析结果显示，三种工况的最大等效应力都小于滚子材料屈服强度。

(3)通过强度评价，其强度满足强度要求，因此该滚子可以满足回转支承的使用条件。故考虑偏载不是造成滚子失效的直接原因，本文为后续对滚子的疲劳寿命计算提供参数基础。