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1、摩擦学模拟仿真与监测基于正交设计方法的转盘轴承连接螺栓有限元分析闰佳飞,邱明,赵滨海?,柏耀星,陈龙? !河南科技大学机电工程学院,洛阳# %&?!洛阳轴研科技股份有限公司,洛阳# % 摘要(螺栓连接在风电转盘轴承工作时起了至关重要的作用。本文主要针对双排四点接触球转盘轴承的连接螺栓,对影响螺栓连接的主要因素)预紧力、摩擦系数以及垫块高度进行分析研究。首先根据有限元方法分别对螺栓在每个因素的不同水平条件下进行计算分析,然后采用正交设计方法结合以上三个因素各 自的五个水平进行分析。分析结果表明(预紧力对连接螺栓的影响最为重要,其次是垫块的高度,最后是摩擦系数。关键词(转盘轴承,螺栓,正交设计,有
2、限元,!占月+ 青转盘轴承在军用雷达、坦克等国防军事领域中被广泛采用,作为主要连接件的螺栓对其产品性能的影响至关重要。由于大多数转盘轴承主要通过螺栓连接将载荷传递到支撑件上,因此其螺栓连接性能优 良与否对转盘轴承总体 的性能影响至关重要。而常见 的螺栓失效形式主 要包括由于 疲劳破坏而引起的疲劳裂纹,以及由于轴承转动过程 中螺栓自身产生的交变应力导致连接松弛,甚至被拉断。经研究发现,影响螺栓连接性能的主要因素包括预紧力、螺栓与连接件接触面的摩擦系数、垫块高度 、套 圈刚性+ ? ,、安装座高度、螺栓刚度以及安装方式 % 等。其中有学者 针对螺栓在不同预紧力的作用下连接性能对比分析,发现随着预紧
3、力的变大,其交变应力相应的减小&文献【 .通过建立特殊模型,并采用有 限元方法分析研究了螺栓刚度对连接性能的影响&有学者+ / 通过采用特殊的螺栓连接方式,并通过分析研究验证了其可靠性。然而,这些因素之 间的交互作用对螺栓整体的性能也存在着很大的影响。本文采用正交设计方法寻找螺栓连接影响因素的主次。由于转盘轴承承受的主要载荷为轴向力和倾覆力矩。因此本文不考虑径向力,并通过有限元方法获得正交设计所需的数据。自变量,并研究其对螺栓连接性能的影响。因此在正交设计 中因素个数为%。每个因素采用个水平,其 中氏为螺栓材料的屈服极限应力值。如果采用全因素正交设计,需要计算 ? 次,即建立 ? 次不同模型才
4、能得到其 间的关系。对人力物力都是一种浪费,而且周期也很长。因此本文采用部分因素正交设计方法进行分析,根据因素和水平条件采用正交表,仅需要? 次计算。分别对下表 中不同因素水平组合条件下的螺栓建立有限元建模,然后采用相同边界条件进行有限元计算。最后根据计算结果总结出螺栓承受 的最大拉应力和交变应力的值。本文以最 大应力值为主要考虑指标,交变应力次之。为对交变应力进行定量简化分析,本文取交变应力 的变化幅值作为衡量指标。即轴承在承受最大工作载荷条件下的最大拉应力值和承受最小工作载荷作用下的最大拉应力之差。?螺栓主要影响因素的正交优化设计 ! 连接螺栓的正交设计方案转盘轴承连接螺栓的影响因素很多,
5、根据转盘轴承工作 中螺栓实际连接情况,本文取最重要的三个因素进行正交设计分析。即将三个因素当做作者简 介(闰佳飞? 0 12 )研究方 向(轴承靡擦学本文主要基于34567环境下对螺栓进行正交设计分析。为了提高计算效率,其螺栓连接有限元模型采用对称处理,仅对一半的模型进行计算,对称面上采用对称约束。承载面分别为与螺栓连接的轴承套圈与滚动体接触的两个面。具体载荷作用情况如图+所示。根据转盘轴承实际承载条件,单个一? 10)? 8年全 国青年摩擦学与表而 工程学术会议论文集导算别 、少计凡一9螺栓的工作载荷可以通过以下公式尸:+? !从!二热;一一一万 7?万找9式中( 是螺栓工作载荷方向和轴承轴
6、向方向夹角是转盘轴承连接螺栓外圈螺栓个数是转盘轴承滚动体节圆半径首先分别对不同 因素水 平组合条件下 的螺栓采用有限元方法进行计算,然后分别采用直观分析法和方差分析方法将结果数据进行处理。由于 计算数据量较大,对于直观分析方法分别以最大应 力和交变应力为指标进行计算,而方差法仅以最大应力为指标进行计算。其方差分析具体结果分别如表+所示。表+直观分析法正交设计结果分析表?略表?方差分析法正交设计结果分析表差异源显著性 % % % %1%?1% 1%!% 0 1 % %#? % 1 %!0?#?,#221! 0 0 #2 %!?12# % ?0?1! %20!10 %? ?% #2髓枷从 上表可以
7、看出,以最大应力作为指标,预应力为连接螺栓主要影响因素,垫块高度次之,摩擦系数影响相对不显著。而如果以交变应力为指标,垫块高度为主要影响因素,摩擦系数次之,预紧力影响相对不显著。但是 由于轴承在工作中,既要保证螺栓的最大应力不超过极限值,还必须有较小的交变应力。而结合两指标下的结果,发现在两指标下垫块高度 的影响显著性均高于摩擦系数。但是预紧力对两指标的显著性影响差距较大。当以最大应力值为衡量指标时,其主要原因为预紧力过大导致螺栓拉应力变大&而以交变应力为指标的情况下,预紧力的影响又不显著,不足以说明问题。因此单独对螺栓在不同预 紧力条件 下和 安装不 同垫块高度条件下进行计算分析。首先以最大
8、应力值为衡量指标,计算螺栓采用不同预紧力和不同垫块高度条件下的拉应力,以选择最优方案&然后以交变应力为衡量指标来选择不同预紧力和垫块高度条件下螺栓连接的最优方案。图?分别为在同等条件下螺栓采用不同预紧力和不同垫块高度所对应的最大拉应力。从图? 中可以看出随着螺栓预紧力的增加,最大应力变大,且变化较为明显。由此也验证了预紧力是影响螺栓最大应 力的主要因素。从图中可以看出当预紧 力为2 ,沁,时,螺栓最大应力已经超过许用应力值。因此由此指标确定螺栓预紧力为 洲七7或者 叭灯,。从图?中可以看出当垫块高度为 = =时,最大应力值相对较小,而 当垫块高度 大于或者小于 =时,最大应力值均较大。图%和分
9、别为螺栓在不同预紧力和不同垫块高度的条件 下所受载荷与最大拉应力的关系 曲线图。由图%可以看出,随着预紧力逐渐变大,螺栓所受的最大拉应力随载荷的变化趋势变缓。从 曲线上可以看出其斜率变小。由此可以判断,加大预紧力 的值,可以适当的减小交变应力,但是预紧力的增大同时使得螺栓的最大拉应力变大。结合前面最大应力指标下所得结果,取螺栓的最优预紧力值为 ,切。以此为基础,即将螺栓 预 紧 力 设定 为 仑 ,分别计算使用不同垫块螺栓最大应力值随载荷变化趋势。由图可以看 出随着垫块高度 的增加,螺栓最大应力值随载荷的变化趋势逐渐变缓,即增加垫块高度可以减小交变应力对螺栓的影响。而结合图伪和 ? 可以看出,随着垫块高度的增加其最大应力随载荷的变化趋势趋于平衡。结合以最大应力为指标所得结果,得 出当螺栓垫块高度为巧=时为最优。对比图%和曲线斜率的变化规律与正交设计所的结果吻合,即垫块对螺栓交变应一?0
