基于Solidworks的軋輥軸承座有限元分析

陳 云

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 六安 237011)

軋輥軸承座(以下簡稱軸承座)是軋機(jī)中的重要部件之一，性能的好壞直接影響軋機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。軋機(jī)工作時(shí)，軸承座不僅支撐著軋輥，而且承受軋輥傳遞的載荷。國內(nèi)利用Solidworks軟件分析設(shè)計(jì)軋輥軸承座的研究較少，本文就如何利用Solidworks進(jìn)行軸承座的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化做詳細(xì)說明。

1 有限元分析模型的建立

以某鋼廠1580型熱連軋機(jī)-上工作輥軸承座設(shè)計(jì)為例。利用Solidworks軟件[1]做出軸承座的三維實(shí)體造型圖，如圖1所示。從圖上可以看出軸承座有眾多的油孔、螺紋孔、小圓角、起吊孔等，由圣維南定理可知，油孔、小圓角等只影響局部應(yīng)力而不影響整體應(yīng)力分布，因此，可以去掉油孔、螺紋孔、起吊孔，把圓角變?yōu)橹苯?，得到軸承座的三維簡化模型，如圖2所示。

圖1 軋輥軸承座三維實(shí)體造型圖

圖2 軸承座有限元分析模型

2 利用Solidworks simulation進(jìn)行有限元分析

2.1 定義材料屬性

軸承座常用的材料有鑄造碳鋼ZG35(ZG270-500)及合金鑄鋼ZG35CrMo等，試選用ZG35，其材料屬性:彈性模量為2×1011N/m2，密度為7850 kg/m2，屈服強(qiáng)度σs=230 MPa，在Solidworks材料編輯器里生成ZG35新材質(zhì)并添加到軸承座模型中。

2.2 載荷及其作用面的確定

軋機(jī)工作時(shí)，軸承座主要承受軋輥施加給軸承孔圓柱面下半部分的徑向軋制力，由于軋制力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸承座的重量，所以忽略其重量，經(jīng)計(jì)算確定軸承孔徑向載荷為P0=28.5 MPa。

2.3 約束確定

根據(jù)軸承座實(shí)際的安裝方式，即軸承座固定在剛性很高的軋機(jī)里，所以軸承座兩個(gè)側(cè)面施加固定約束[2]。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

開啟Solidworks simulation插件，將固定約束應(yīng)用于軸承座的兩個(gè)側(cè)面，施加壓力載荷P0作用于軸承孔圓柱面的下半部分，取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，simulation自動(dòng)運(yùn)算并輸出相應(yīng)的結(jié)果，其應(yīng)力分布圖、安全系數(shù)分布圖、變形分布圖(x與y方向)等，如圖3，4，5所示。

圖3 應(yīng)力分布圖

圖4 安全系數(shù)分布圖

圖5 位移分布圖

由圖3可知最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在軸承孔的底部，其值為456 MPa，大于ZG35的屈服應(yīng)力，軸承座的強(qiáng)度不滿足要求，此外，由圖4可知軸承座的最小安全系數(shù)為0.5，其值小于1，所以需要重新選擇材料進(jìn)行分析。選屈服強(qiáng)度較大的合金鑄鋼ZG35CrMo，仍然按上面的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行?？傻?最大等效應(yīng)力為458.6 MPa，小于ZG35CrMo的屈服應(yīng)力(σs≥510 MPa)，最小安全系數(shù)為1.11，在x與y方向上的最大位移分別為0.153 mm，0.681 mm，均沒超過軸承的間隙，滿足最小油膜厚度要求[3]，設(shè)計(jì)符合要求。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Solidworks可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，利用這一點(diǎn)在不影響軸承座性能的前提下對軸承座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體改進(jìn)方案如下:在軸承座座體上半部的左右兩邊分別開設(shè)通道，通道由與軸承座內(nèi)孔軸線相平行的兩個(gè)圓孔組成，圓孔之間通過連通槽串聯(lián)連通，連通槽用密封墊封閉，細(xì)節(jié)如圖6所示。在座體左右兩邊開2個(gè)冷卻通道，水或冷卻油從圓孔輸入后，經(jīng)過圓孔流經(jīng)軸承座座體，這樣不僅可以對軸承座座體進(jìn)行冷卻，還可以冷卻與軸承座配合使用的軸承，從而減少軸承座及軸承的變形。

改進(jìn)后的軸承座如圖7所示，同樣運(yùn)用Solidworks simulation插件對其進(jìn)行有限元分析，把得到的結(jié)果與原軸承座相對比，如表1所示?？梢钥闯?經(jīng)過改進(jìn)的軸承座，其最大應(yīng)力降低了16 MPa，質(zhì)量減輕了23 kg。

圖6 通道密封墊處的局部剖面圖

圖7 改進(jìn)后的軸承座三維實(shí)體圖

表1 改進(jìn)后的軸承座與原軸承座對比結(jié)果

4 結(jié)語

運(yùn)用Solidworks軟件對軋輥軸承座進(jìn)行了有限元分析，分析中發(fā)現(xiàn):選用合金鑄鋼ZG35CrMo材質(zhì)能夠滿足軸承座的強(qiáng)度要求以及保證軸瓦孔變形不超過軸承間隙?？紤]軸承座的質(zhì)量及其冷卻效果，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的最大應(yīng)力與質(zhì)量均降低且具備良好的冷卻效果，符合優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

[1]二代龍震工作社.Solidworks 2009高級(jí)設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[2]方秀榮，劉軍毅.基于ABAQUS的軋輥軸承座應(yīng)力分析[J].煤礦機(jī)械，2009，30(12):79-80.

[3]李澤天，王興偉，李小飛.基于ANSYS的軸承座有限元分析[J].兵工自動(dòng)化，2008，27(12):94-96.