液压缸用带锁口杆端关节轴承瞬态动力学分析.pdf

兰 墨 Q Q二 鱼 CN411 1 4 8／TH 轴承2 0 1 2 年1 0 期 Bea rin g 2 01 2， No ．1 0 ●试验与分析 液压缸用带锁 13 杆端关节轴承瞬态动力学分析 苏高峰 ， 薄玉成 ， 王惠源 ， 孔静静 ， 徐煜星 1 ． 中北大学机电X - 程学院， 太原0 3 0 0 5 1 ； 2 ． 台州科锦轴承有限公司， 浙江 台州3 1 7 0 0 0 摘要 以 Q G 3 2 5型切管机液压缸用带锁口杆端关节轴承为研究对象， 通过三维软件 S o l i d w o r k s 建立简化的带锁 口杆端关节轴承模型， 根据零部件的实际结构、 连接关系和工作时的载荷情况， 建立了带锁口杆端关节轴承的 精细有限元模型 ， 通过 A N S Y S Wo r k b e n c h 1 3 ． 0进行实际工况下的瞬态动力学分析 ， 为改进该关节轴承的设计 、 调整装配布局提供理论依据。 关键词 带锁口杆端关节轴承； 有限元； 瞬态动力学； A N S Y S Wo r k b e n c h 中图分类号 T H1 3 3 ． 3 1 ； 0 2 4 1 ． 8 2 文献标 志码 B 文章编 号 1 0 0 0 3 7 6 2 2 0 1 2 1 0 0 0 2 8 0 4 Tr a ns i e n t Dy na m i c s An a l y s i s o n Lo c ka bl e Po r t Ro d End Sp he r i c a l Pl a i n Be a r i ng s f o r Hy d r a u l i c Cy l i nd e r S U G a o f e n g ， B O Y uc h e n g ， WA N G H u i y u a n ， K O N G J i n g j i n g ， X U Y ux i n g 1 ． Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， No a h Un i v e r s i t y o f C h i n a ． T a i y u a n 0 3 0 0 5 1， C h i n a； 2 ． T a i z h o u K e j i n B e a ri n g C o ． ， L t d ． ， T a i z h o u 3 1 7 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g Q G 3 2 5 l o c k a b l e p o r t r o de n d s p h e ri c al p l a i n b e a ri n g f o r p i p e c u t t i n g ma c h i n e h y d r a u l i c c y l i n d e r a s a r e s e a r c h o b j e c t ， a s i m p l i fi e d mo d e l i s e s t a b l i s h e d f o r l o c k a b l e p o r t r o de n d s p h e ri c al p l a i n b e a ti n g s t h r o u g h 3 D s o ft wa r e S o l i d wo r k s ．Ac c o r di ng t O t he a c t ua l s t r u c t ur e o f i t s c o mp o n e n t s，t he c o nn e c t i o n r e l a t i o n s a n d wo r k i n g l o a d，a l e fin e d fin i t e e l e me n t mo de l i s e s t a b l i s he d f o r l o c k a b l e p o rt r o de n d s p h e ric a l pl a i n b e a r i ng s，a n d t h e t r a ns i e nt d y na mi c s an a l y s i s i s c o n d u c t e d b y u s i n g ANS Y S W o r k b e n c h 1 3 ． 0 u n d e r t h e a c t u a l wo r k i n g c o n d i t i o n， wh i c h p r o v i d e t h e o r y b a s i s f o r d e s i g n i mp r o v e m e n t o f s p h e ri c a l p l a i n b e a ri n g s a n d a d j u s t me n t o f a s s e mb l y l a y o u t ． Ke y wo r d s l o c k a b l e p o rt r o de n d s p h e ri c al p l a i n b e a rin g ； f i n i t e e l e me n t ； t r a n s i e n t d y n a mi c s ； ANS YS W o r k b e n c h 关节轴承属于球 面滑 动轴 承， 其旋转轴线可 绕球面的中心作大空 间大范围摆动。按关节轴承 承受的载荷方 向、 公称接触角和结构形式的不同， 可分为向心关节轴承、 角接触关节轴承和 推力关 节轴承 ； 按是否附有杆端或装于杆端上 ， 分为一般 关节轴承和杆端关节轴承 ； 按工作 时是否 需补充 润滑剂 ， 分为 自润滑型关节 轴承 和润滑型关节轴 承” 。关节轴承作为通用机械零件 ， 由于能满足 重载荷 、 长寿命 、 转动灵 活、 可调心 、 少维护 、 结构 紧凑及易于装拆等特点 ， 已被广泛地用于矿 山、 冶 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 0； 修 回日期 2 0 1 2 0 8 2 8 作者简介 苏高峰 1 9 8 5 一 ， 男， 河南太康县人， 硕士研究 生 ， 主要从 事武器发射 动力学 与 C A D ／ C A E仿 真技 术 以及 机械系统分析 、 设计与优化 。 E ma i l s u g a o f e ng 2 1 6 3．c o n 。 金 、 电力 、 交通、 水利电力 、 航天航空和纺织等领域 中。带锁 口杆端关节轴承主要用于机械同心度要 求不高 ， 工作表面压力较大且 又要做低速摆动 、 倾 斜 即调心运动 或 回转 的机械机 构 中。本例 以 Q G 3 2 5型切管机液压缸用带锁 口杆端关节轴承为 研究对象 ， 通过三维软件 S o l i d w o r k s 建立简化的带 锁 口杆 端关 节 轴承 模 型 ， 利 用有 限元 分 析 软件 A N S Y S Wo r k b e n c h对 其进 行 结构 瞬 态 动力 学分 析 ， 分析结果表 明带锁 口杆端关节轴承最 薄弱的 部位与以往 的经验相一致 ， 为改进该轴承 的结构 设计 、 调整装配布局提供了理论依据 。 1 结构特征 和受力分析 某公司生产 的 内螺纹 带锁 口 G I H NK 3 2 L O 型杆端关节轴承可用于 Q G 2 3 5型切管机液压缸 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 苏高峰 ， 等 液压缸用带锁 口杆端关节轴承瞬态动力学分析 2 9 摆动支 承 中。轴 承 由外 圈、 内圈和杆 端体 组 成。 外圈装在杆端体 中， 内圈与轴颈相配 ， 轴颈摆动带 动内圈在球 面上摆动。轴 承基本参数 ] 内圈宽 度 3 2 mm， 内圈直径 3 2 mm， 外圈宽度 1 8 m m， 调心 角 4 。 ； 径 向游隙 0 ． 0 5 0 ． 1 0 m m； 聚四氟乙烯润滑 脂 ； 额定动载荷 6 7 k N。滑动摩擦副为钢／ 钢。 在切管机工作 的过程 中， 安装在液压 缸顶端 的带锁 口杆端关节轴承通过轴颈承受径 向载荷 F 和轴向载荷 F 。 由轴颈带动轴承 内圈上下 摆动 ， 使切管机的切刀盘上下移动切割钢管。杆端关节 轴承主要受径向载荷 F 5 0 k N， 也受一定 的轴 向 载荷 F 6 k N， 其当量径向载荷 。] QF y F 1 式中 Y为轴 向载荷系数 。由 ， ／ F 6 ／ 5 0 0 ． 1 2 ， 查表 得 Y 0 ． 8 ， 则得 Q5 4 ． 8 k N。 2 瞬态动力学分析基本算法 A N S Y S Wo r k b e n c h中有两种求解运动学方程 的方法 ， 即模态叠加 法和直接积分法 ， 具体 如图 1 所 示 。 图 1 运动学方程求解方 法流程 图 瞬态动力学分析 也叫时间历程分析 是用于 确定结构承受任意随时问变化载荷 的结构动力学 响应 。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载 荷 、 瞬态载荷 和简谐 载荷 的随意组合 下随时 间变 化 的位移 、 应变、 应力及力。载荷和时间的相关性 使得惯性力和阻尼作用 比较重要。如果惯性力和 阻尼作用不重要 ， 就 可 以用静力学分 析代替瞬态 分析 J 。输人数据 的一般形式是载荷为时间的任 意函数 ； 输出数据 为随时间变化 的位 移和其他 的 导 出量 ， 如 应力 和应 变。A N S Y S Wo r k b e n c h允 许 在瞬态动力分析中包括各种类型的非线性 一大变 形 、 接触和塑性等等。其基本运动方程为 [ ] { }[ c{ 五} [ K] { U} { F t } ， 2 式 中 [ ] 为质量矩阵； [ c] 为阻尼矩阵 ； [ ] 为刚 度矩阵 ； { 菇} 为 系统节点 的加 速度向量 ； { } 为系 统节点 的速度向量 ； { H} 为 系统节点的位移 向量 ； { F t } 为载荷 ， 可为时间的任意函数 。 3 有限元仿真模型 3 ． 1 几何模型的建立 首先根 据二 维 图纸用 三 维 造 型 软件 S o l i d w o r k s 建立带锁 口杆端关节轴承的三维实体模型。 鉴于杆端体几何形状 的复杂性 ，为 了有效地进行 有限元结构建模 ， 根据圣维南局部作用的原理 ， 对 一 些圆角 、 倒角等细部特征进行 了删 除或抑制 工 作 ； 而对远离主要受力部位杆端体 圆角区域的几 何特征 ，在保 留整体刚度基本不变的条件下，对 结构进行了适当简化 ，简化后 的带锁 口杆端关节 轴承结构如 图2所示 。 对于关键部位 ， 尤其是严重 影响受力状态 的部位 ， 则保 留其 结构上 的倒角及 圆角等 ， 以保证瞬态动力学分析结果的真实性。 图 2带锁 口杆端 关节轴承 简化 的三 维模 型 3 ． 2 材 料模 型 由于轴承塑性变形很小 ， 因此将轴承内、 外圈 和杆端体均设 为线 弹性材料。在仿真模型 中， 假 设 内、 外 圈 材 料 均 为 G C r l 5钢 ， 密 度 为 7 8 3 0 k g ／ m ， 弹性模量为 2 0 6 G P a ， 泊松 比为 0 ． 3 ； 锻件 杆端体材料为 4 5 优质碳素结构钢 ， 密度为 7 8 5 0 k g ／ n l ， 弹性模量为 1 9 6 G P a ， 泊松比为 0 ． 2 4 。 3 ． 3 网格划分 根据模型的特点， 采用扫略分 网与 3 D几何 网 格相结合的方式划分网格。带锁 口杆 端关节轴承 内、 外圈采用六 面体单 元 ， 杆端体 采用 四面体单 元 ； 假设轴承工作时内圈连接在刚性很大的轴上 ， 外圈固定在杆端体 上 ， 因此将 内圈内表面和外圈 外表面设 置为 固定约束 ； 模 拟轴 承 的边界 条件 ， 内、 外圈和杆端体均设置为柔性体 以便施加摆动 运动副和载荷。轴承有限元模型如图 3所示 ， 共有 6 5 6 5 0个单元， 1 1 1 8 8 0个节点。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 苏高峰， 等 液压缸用带锁 口杆端关节轴承瞬态动力学分析 4 ． 2位移和速度变化分析 A N S Y S Wo r k b e n c h窗 口中能清楚地表征带锁 口杆端关 节轴承 各物 理量在 时 间域 上 的变化 过 程 ， 图 7所示为带锁 口杆端关节轴承上下摆动的 方向的位移和速度时程曲线图。 重1 ． 4 1 9 2 } 厂 ＼ s 4 1 1 ． 5 6 9 8 r ． 一 一～ 一． 司 毒 I ／ 、 ．． 、 翥 。． 枷 l 固0 2 0 0 4 0 0 时fu Vs 图7 X方向的位移和速度 时程 曲线图 从 图中可以看出 ， 轴承 位移和速度时程 曲线 具有明显的周期性 ， 周期 的长短和载荷 的大 小与 作用时问密切相关 。从速度 时程 曲线可知 ， 由于 径 向游隙的存在 ， 使 内、 外 圈并不是时时刻刻紧靠 在一起 ， 存在速度的微小波动， 这 也是带锁 口杆端 关节轴承在 工作 过程 中内、 外 圈多次相接触 而产 生磨损 ， 使径 向游隙变大而影 响运动精度及产生 噪声 的主要原因。可 以通过位移 和速度时程 曲线 图判断结构设计 和装 配布局 的合理程度 ， 为改进 提供参考 。 5 结 论 1 带锁 口杆端关 节轴承 内部的最大应力 出 现在轴颈与 内圈接触表 面以下一定深度 区域 ， 并 逐渐向外衰减 ， 仿真计算结果与 He r t z 理论分析结 果一致 。 2 在带锁 口杆端关节轴承各零件 中， 内圈边 缘 凹槽为应力最大处 ， 其 次为外圈油孑 L 和单 开缝 附近及杆端体与外圈接触的下半圈内侧区域。 通过对 Q G 3 2 5型切管机液压缸带锁 口杆端关 节轴承进行瞬态动力学分析 ， 得 到了实际工况下 带锁 口杆端关节轴承的受力云图。通过分析受力 云图可知 ， 最大应力离材料 的屈服极限还有一定 的盈余 ， 说 明材料没有发生屈服 ，但经过多次循 环工作容易出现疲劳破坏和磨损。最大应力 出现 的部位和以往 的经验相一致 ，说明所建立 的有限 元分析模型 能够较真实 地反 映该轴承 的受力 状 态。采用有限元仿真的方法可以模拟带锁 口杆端 关节轴承在实际工况下 的应力分布状态 ，可为改 进带锁 口杆端关节轴承 的设计 和／ 或调整装配布 局提供理论依据 。 参考文献 [ 1 ] 吴宗泽 ．机械设计师手册 [ M] ．北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 1 7 3 61 7 3 9 ． [ 2 ] 卢济武． 煤矿机械中大型球面关节轴承的设计与应 用[ J ] ． 矿山机械， 1 9 9 3 3 1 21 3 ． [ 3 ] l 0 H 且 p o 3 Ⅱ o b ．球 面关节 轴承 的计算 [ M] ． 马宗 明 ， 译． 北 京 国防工业 出版社 ， 1 9 5 8 ． [ 4 ] 刘伟， 高维成， 于广滨． A N S Y S 1 2 ． 0宝典 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 0 3 6 7 3 7 0 ． [ 5 ] 凌桂龙 ， 丁金滨 ， 温正． A N S Y S Wo r k b e n c h l 3 ． 0从 入 门到精通 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 2 6 1 73； 21 62 3 3． [ 6 ] 陈伟 ， 杜长龙， 夏丽建 ， 等． 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h 采煤机行走轮与销轨啮合瞬态动力分析[ J ] ． 矿山机 械 ， 2 0 1 1 2 2 0 2 3 ． [ 7 ] 杨 国来 ， 葛 建立 ， 陈强． 火炮 虚 拟样 机 技术 [ M] ． 北 京 兵器工业 出版社 ， 2 0 1 0 2 8 5 3 0 0 ． [ 8 ] H a r r i s T A ．R o l l i n g B e a r i n g A n a l y s i s [ M] ． N e w Y o r k W il e y， 2 001 ． [ 9 ] 杨智清． 机械制造基础[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 03 1 0 01 35． 编辑 赵金库 国夕 卜 轴承技术 季刊 是我 国轴承 行业 唯一 介绍 国夕 卜 轴承技术 及发展动 态 的专 业 杂 志 ， 内 容 新 颖 、 全 面 ， 信 息 量 大 ， 涵 盖 滚 动 轴 承 的 基 础 理 论 研 究 、 产 品 设 计 与 应 用 、 加 工 工 艺 与 装 备 、 测 试 技 术 与 测 量 仪 器 、 材 料 及 热 处 理 、 防 锈 润 滑 、 失 效 分 析 等 最 新 的 研 究 成 果 。 及 时 报 道 国 外 轴 承 的 研 究 与 发 展 动 向 ， 可 供 我 国 轴 承 行 业 及 相 关 机 械 行 业 的 技 术 人 员和 大 专 院 校 的 师 生 参 考 和 借 鉴 。 地址 河南洛阳市吉林路洛阳轴承研究所有限公司技术资料发行室 邮编 4 7 1 0 3 9 电话 0 3 7 96 4 8 8 1 1 5 0 6 4 8 8 0 0 5 7 传真 0 3 7 9 6 4 8 8 2 9 9 6 联系人 陈红帆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m