轴承游隙与残余应力对轴承疲劳寿命的影响.pdf
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1、第36卷第5期,2023年9月 宁 波 大 学 学 报(理 工 版)中国科技核心期刊 Vol.36 No.5,Sep.2023 JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY(NSEE)中国高校优秀科技期刊 DOI:10.20098/ki.1001-5132.2023.0302 轴承游隙与残余应力对轴承疲劳寿命的影响 杨永良1,2,李淑欣1,2*,程安生1,2,金永生3,陈银军4(1.宁波大学 机械工程与力学学院,浙江 宁波 315211;2.浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室,浙江 宁波 315211;3.宁波银球科技股份有限公司,浙江 宁波 315207;4.中国环驰轴承集团有
2、限公司,浙江 宁波 315318)摘要:滚动轴承的径向游隙与残余应力对轴承寿命有着很大的影响,为深入理解游隙与残余应力的影响规律,研究 6308 深沟球轴承在不同游隙和残余应力下的疲劳寿命.通过使用三维建模软件 SolidWorks建立深沟球轴承的三维模型,采用 ABAQUS有限元分析软件仿真得到深沟球轴承的接触应力分布.基于接触区的最大应力,对深沟球轴承的接触疲劳寿命进行预测.结果表明:当残余应力一定时,轴承游隙从 4m 增加到 16m,轴承内外圈滚道与滚动体的接触面积降低,使轴承寿命平均缩短了 24.80%;当轴承游隙一定时,残余压应力从 0 增加到 500MPa,可部分抵消径向载荷所产生
3、的不利影响,平均应力减小,轴承寿命平均增加了 35.30%.该模拟结果为轴承寿命的研究提供了一定的理论支撑和依据.关键词:深沟球轴承;残余应力;轴承游隙;有限元;疲劳寿命 中图分类号:TH133.33 文献标志码:A 文章编号:1001-5132(2023)05-0011-07 滚动轴承是机械制造业中一种重要的基础零部件,对机械产品的性能、使用寿命等具有重要影响.经过多年发展,我国的轴承制造行业已经颇具规模,但高端轴承生产制造技术与发达国家之间还存在着较大的差距,轴承已成为我国大型关键装备制造业发展的制约因素之一1-2.GCr15 作为最常用的轴承钢之一,广泛用于制造轴承套圈、滚动体及其他机械
4、零部件3.相关研究发现,在正确安装、润滑条件良好的情况下,轴承的疲劳破坏是滚动轴承的主要失效形式之一4-5.径向游隙6是滚动轴承配合的一个重要技术参数,它的大小直接影响到轴承内部载荷在轴承圆周的分布状况,特别是影响滚动体最大载荷的变化,进而影响轴承的使用寿命、振动、噪声、摩擦、温升、旋转精度和刚性.Tiwari 等7研究了球轴承的内部径向间隙对转子动态响应的影响,发现内部径向游隙是确定动态响应的重要参数,随着游隙的增加,出现的峰值向下移动,表明轴承的动态刚度随着间隙的增加而降低.Oswald 等8研究了内部径向游隙对球和滚子轴承载荷分布与寿命的影响,发现轴承寿命和内部游隙之间的关系是根据负载调
5、整的滚珠或滚子直径的函数.各种机械制造工艺(如热处理、切削等)的工件内会出现不同程度的残余应力(RS).残余应力将会对材料的物理、力学性能产生巨大影响,工件表层残余应力是影响其结构强度与寿命的重要因素9.因此,研究和检测材料中的残余应力对生产和科学实验都有非常重要的意义.为了提高轴承的综合机械性能,需对轴承进行机械加工与热处理,在此过程中会出现不均匀的塑性变形以及不均匀的温度变化,内部会产生很大的残余应力,而轴承滚道表面的残余应力会直接影响耐磨性10.Choi11研究了加工残余应力对滚动接触疲劳的影响,结果表明,通过优化加工表面以下的残余应力分布,机械加工部件的滚动接触疲劳性能可以得到显著提高
6、.Kanchanomai 等12研究了残余应力对碳氮共渗低碳钢疲劳失效的影 收稿日期:20230301.宁波大学学报(理工版)网址:http:/ 12 宁波大学学报(理工版)2023 响,结果表明,随着残余压应力的引入,碳氮共渗的 AISI1015 钢的 疲劳抗力 比未碳氮 共渗的AISI1015 钢的疲劳抗力要高.梁军帅等13考虑套圈残余应力和滚道损伤对圆柱滚子轴承刚度特性的影响,发现硬化层厚度越大、硬化层残余应力峰值位置越深及峰值越大,则轴承的刚度越大.综上所述,大多数研究都集中在游隙与接触关系以及机械加工与热处理对残余应力的影响,而较少将游隙与残余应力结合,进行更为深入的研究.因此,有必
7、要针对深沟球轴承的游隙和残余应力对疲劳寿命的影响进行深入探究.本研究采用有限元分析方法,探究与轴承疲劳寿命和主轴性能密切相关的轴承内部游隙的变化以及轴承滚道残余应力的分布,根据接触状态和残余应力的变化情况,研究轴承游隙和残余应力对轴承疲劳寿命的影响,为进一步研究深沟球轴承的疲劳寿命提供理论参考.1 深沟球轴承力学分析与疲劳寿命计算模型深沟球轴承力学分析与疲劳寿命计算模型 深沟球轴承的内圈承受主轴施加的径向载荷,并传递给滚动体,通过滚动体将内圈承受的载荷传递到外圈.其中的接触区包括内圈与滚动体的接触、滚动体与外圈的接触,深沟球轴承的失效为接触失效.采用的理论为赫兹接触理论14,对于球轴承的接触区
8、域是椭圆形的情况,最大压应力出现在几何中心,其大小为:max3,2Qab(1)rmax5,cosFQZ(2)13*,0.0236Qaa(3)13*,0.0236Qbb(4)式中:Q为滚动体与滚道之间的法向力;a为接触区域的长半轴;b接触区域的短半轴;Fr为轴承径向载荷;Z 为滚动轴承的滚动体数目;为接触角;为曲率和函数;a*为接触椭圆量纲为 1 的长半轴;b*为接触椭圆量纲为 1 的短半轴.为了分析深沟球轴承径向游隙及残余应力对疲劳寿命的影响,首先对轴承疲劳寿命的常用计算模型进行研究,从而对本研究的疲劳寿命模型进行修正.滚动轴承疲劳计算发展至今,众多经验和理论模型在各个领域均有应用,其中,经典
9、 L-P理论模型应用较为广泛.经典 L-P模型假设位于表面下某处深度的最大正交剪应力导致裂纹的产生,进而主导轴承失效,其载荷寿命方程为 3c10,QLQ(5)点接触的向心球轴承旋转套圈内滚道的疲劳寿命为 3ciiei,QLQ(6)非旋转套圈外滚道的疲劳寿命为 3cooeo,QLQ(7)整套轴承的疲劳寿命为 1io,()eeeLLL(8)式中:Qc为滚道额定接触动载荷;Qci为内滚道额定动载荷;Qei为滚动轴承内圈当量滚动体载荷;Qco 为外滚道额定动载荷;Qeo为滚动轴承外圈当量滚动体载荷;e 为 Weibull 斜率,对于点接触 e=9/10,对于线接触 e=9/8.2 残余应残余应力的测定
10、力的测定 轴承残余应力对疲劳性能的影响很大,而预先的表面形变强化通过在表层引入残余压应力,降低、抵消外载荷的不利影响,可使平均应力减小,大幅度提高疲劳强度和延长寿命.采用 X 射线衍射法(XRD)测定轴承表面残余应力,利用X 射线穿透金属晶格时发生衍射的原理,测量轴承滚道的表面层由于晶格间距变化所产生的应变,从而测量轴承的残余应力.分别对 6308 碳氮共渗轴承内外圈沿圆周 2 点不同位置(图 1)进行测定,采用意大利GNR公司EDGR型X射线衍射残余应力分析仪进行残余应力检测.根据 GB/T 77042017,采用双探测器同倾法进行测量,具体参数设置为 Cr靶 K辐射,滤片 V,准直管直径
11、6mm,beta 角数量9,最大 beta 角 30,衍射角 156.1,211 晶面,曝光时间 60s,测试电压 30.7kV,工作电流 0.083mA,第 5 期 杨永良,等:轴承游隙与残余应力对轴承疲劳寿命的影响 13 测试数据见表 1.内圈 外圈 图 1 轴承套圈残余应力检测点示意 表 1 残余应力测试数据 MPa 残余应力 轴承型号 部件 测点 测试值 测点平均值 总平均值 6308 内圈 点 1-520,-570-545-510 点 2-403,-547-475 6308 外圈 点 1-259,-229-244-222 点 2-188,-213-200 由检测结果可知,6308碳氮
12、共渗轴承内外圈均存在残余压应力,其中,内圈压应力平均值为-510MPa,外圈压应力平均值为-222MPa.所测得残余应力为深沟球轴承的有限元仿真提供依据.3 滚动轴承疲劳试验滚动轴承疲劳试验 由于轴承疲劳试验周期较长,本文做了 4组试验,所采用设备是杭州轴承试验中心有限公司的ABLT-1A 型轴承寿命强化试验机.试验机通过液压方法对轴承施加径向载荷和轴向载荷,可通过调整不同重量的砝码来调节加载力,液压系统将砝码的重力放大一定的倍数施加在轴承上.试验机工装每次可装入 4 套轴承.本试验中只加径向载荷,大小为 5kN.试验开始时,先调整转速到6000rmin1,轴承空转 30 min 后开始逐渐加
13、载,2h 后加载到指定载荷.试验全程采用喷油润滑.通过温度传感器和振动传感器实时监测试验中的轴承温度和轴承振动信号.试验机每分钟保存一次试验数据.当温度或振动的均方根值超过设定上限时,试验机自动停机并保存试验累计时间和停机原因.拆机检查,确定停机原因.当发现轴承上有剥落时,确定轴承失效,并记录轴承寿命.4 深沟球轴承有限元分析模型深沟球轴承有限元分析模型 4.1 几何模型的建立几何模型的建立 本文研究的深沟球轴承型号为 6308,结构如图 2 所示,参数见表 2.由于轴承的倒角及倒圆角的结构对计算结果影响很小,对接触分析基本无影响,因此为简化网格划分与计算,建模时将其忽略.深沟球轴承的保持架在
14、整个过程中分离滚动体,使滚动体本身保持住或使其与一个套圈保持在一起,滚动体与保持架的摩擦力很小,对轴承疲劳寿命影响很小,因而不考虑轴承保持架的影响.基于 SolidWorks 进行自上而下整体建模,随后将模型导入有限元软件 ABAQUS 中进行网格处理,有限元接触分析对接触区网格划分要求非常高,如果对整个轴承做网格划分,那么求解会十分耗时,不利于模型修正与优化.因此,分别对轴承内外圈及滚动体接触区域的网格进行加密,使其结果尽可能精确,深沟球轴承三维模型如图 3 所示.图 2 深沟球轴承结构示意 表 2 6308 深沟球轴承尺寸参数 mm 参数 数值 参数 数值 轴承外径(Do)90.0 外滚道
15、直径(do)80.083 轴承内径(Di)40.0 内滚道直径(di)49.917 轴承宽度(B)23.0 滚动体直径(D)15.081 节圆半径(dm)65.0 图 3 深沟球轴承三维模型 点 1 点 1 点 2 点 2 B di dm do Do Di Pd/4 D 14 宁波大学学报(理工版)2023 4.2 材料属性与接触特性设置材料属性与接触特性设置 在 ABAQUS 中对轴承材料属性进行设置,本文研究的深沟球轴承内外圈及滚动体材料均为GCr15 轴承钢15,弹性模量为 206GPa,泊松比为0.3,密度为 7810kgm3,线膨胀系数为 1.251051.轴承内外圈滚道与滚动体接触
16、类型为面面接触,根据凹面与凸面配对原则16,即凸面为从面的原则,选择轴承内外圈滚道为主面,滚动体为从面,共创建生成 8个接触对.设置接触对后检查接触面外法线方向,否则会出现过度穿透的问题.4.3 边界条件与载荷施加边界条件与载荷施加(1)在柱坐标系下对所有滚动体的轴向和周向自由度进行限制,只允许所有滚动体在径向发生平移,用于模拟内圈与保持架对滚珠的限制作用.(2)约束轴承外圈表面所有自由度,用于模拟轴承装配时外圈固定的情况.保留内圈在Y方向的平移自由度,对其他方向自由度进行约束.(3)残余应力场.通过调整温度参数来改变残余应力数据,轴承内外圈滚道接触区设置较高的温度(高于 20),其他部分设置
17、为 20,从而得到轴承滚道残余压应力.为了便于分析,内外圈采用相同的残余应力分布,在此基础上施加径向载荷与约束条件研究深沟球轴承的受力情况.(4)施加径向载荷.在轴承内圈内表面创建一个参考点,并将参考点与内圈内表面耦合,使参考点具有与内圈内表面相同的自由度.将集中力施加在参考点上,集中力方向垂直于轴承内圈内表面,从而获得轴承的径向载荷.4.4 网格划分网格划分 将轴承内、外滚道划分为两个部分,分别在距离内圈滚道接触表面下 2mm的位置划分出一部分.对滚动体与内外圈接触区进行网格加密,网格种子大小为 0.1mm.与接触区相邻的部分网格种子采用非均匀分布,靠近接触区的位置网格种子逐渐密集,远离接触
18、区的位置网格种子逐渐稀疏.为降低计算成本,非接触区网格种子大小为 2 mm.考虑到单元格形状对分析结果影响较大,因此采用六面体结构划分网格,以提高分析精度与计算效率.模型网格类型为 C3D8R,网格划分共产生295576个单元和345504个节点,模型网格划分后提交分析计算.5 有限元分析与结果有限元分析与结果 有限元分析方法可以减少设计成本,缩短设计与分析的循环周期,减少试验次数,降低材料的消耗或成本.本文在有限元方法基础上开展试验研究,通过 4 组试验验证深沟球轴承的变化.轴承疲劳寿命受到材料特性、热处理、工作温度、几何尺寸和内部游隙等诸多因素的影响.其中,热处理引入的残余应力场与径向游隙
19、对轴承疲劳寿命影响最为显著.通过调整不同单元间的温度参数,利用材料的热膨胀原理来模拟轴承热处理后的滚道残余压应力,分析得到的轴承滚道残余应力场云图及残余应力分布如图 4 所示.GCr15 轴承钢热处理表面产生的残余应力为压应力,轴承内外圈滚道残余压应力随深度的增加呈先增大后减小的趋势,最后呈现残余拉应力17.在深度为 14m 处,残余压应力达到最大值,之后随着深度增加而逐渐减小,趋势与试验结果基本吻合.分析具有残余应力场的深沟球轴承在径向载荷作用下的接触力学性能,轴承内圈滚道等效应力大于轴承外圈等效应力,最大等效应力位于轴承内滚道表面以下,轴承内外圈接触应力云图结果如图 5 所示.(a)应力场
20、云图 0 50 100 150 200 距内滚道表面深度/m(b)应力分布 图 4 滚动轴承滚道残余应力场云图与应力分布 残余应力/MPa 0-100-200-300-400 3.964e+02 3.634e+02 3.303e+02 2.973e+02 2.643e+02 2.312e+02 1.982e+02 1.652e+02 1.321e+02 9.910e+01 6.607e+01 3.303e+01 0 S,Mises Avg:75%第 5 期 杨永良,等:轴承游隙与残余应力对轴承疲劳寿命的影响 15 由图 6 可知,滚动轴承内滚道最大等效应力远高于轴承外滚道应力,且最大等效应力位
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