方頭鉚保持架性能分析

杜姍珊，徐　猛，郭玉飛

方頭鉚保持架性能分析

杜姍珊，徐猛，郭玉飛

（瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 工程中心，遼寧 瓦房店 116300）

主要闡述了保持架座支柱伸出保持架蓋部分的鉚后的長(zhǎng)度與高度對(duì)保持架性能的影響。運(yùn)用SolidWorks有限元軟件計(jì)算出在不同的支柱鉚后長(zhǎng)度、不同的支柱鉚后高度時(shí)保持架的強(qiáng)度，最后根據(jù)不同情況下的對(duì)比結(jié)果選擇合理的鉚后長(zhǎng)度和鉚后高度，為保持架支柱的鉚合參數(shù)提供一個(gè)理論依據(jù)。

支柱鉚后長(zhǎng)度；支柱鉚后高度；保持架強(qiáng)度；SolidWorks有限元軟件

1　前言

目前，軸承保持架按其生產(chǎn)工藝和所用材料分主要有沖壓保持架、金屬實(shí)體保持架和工程塑料保持架，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料的保持架對(duì)軸承的使用性能影響很大。因此，對(duì)保持架結(jié)構(gòu)、材料的研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)在一定程度上保證和推動(dòng)了軸承技術(shù)的發(fā)展。

本文主要針對(duì)其中一種結(jié)構(gòu)對(duì)保持架強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析—金屬實(shí)體保持架。金屬實(shí)體保持架所用材料主要為黃銅、青銅合金，也有鑄鐵和鋼，其結(jié)構(gòu)主要為整體式和分體式 2 種。整體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)軸承摩擦、運(yùn)轉(zhuǎn)和承載等性能的改進(jìn)上；分體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于連接方式上。

本文分析的方頭鉚保持架屬于分體式自鉚接保持架，由保持架座和保持架蓋兩部份組成，保持架座支柱端部帶鉚接頭，保持架蓋帶鉚接孔，可實(shí)現(xiàn)自鉚接。

2　方頭鉚型保持架支柱長(zhǎng)度

方頭鉚型保持架由保持架座與保持架蓋兩部份組成，見圖 1。

圖1　方頭鉚釘保持架

支柱伸出保持架蓋部分的體積鉚前鉚后是不變的，所以以下的公式成立。

鉚前鉚后的體積相同：S1× δ1=S2× δ2，

保持架鉚后的支柱面積與長(zhǎng)度見圖 2。

圖2　保持架支柱面積與鉚后長(zhǎng)度

3　有限元分析

本文以軸承NJ2236EM為例，運(yùn)用有限元軟件SolidWorks對(duì)其保持架的屈服強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。SolidWorks是一個(gè)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和工程分析為一體的三維參數(shù)化軟件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有限元分析功能。在SolidWorks中完成零部件三維造型后，可以進(jìn)入到SolidWorks simulation模塊中進(jìn)行分析。在SolidWorks 的有限元分析模塊中，可以進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析和熱結(jié)構(gòu)分析等工作。下面詳細(xì)介紹方頭鉚保持架屈服強(qiáng)度的分析過(guò)程。方頭鉚保持架的鉚前、鉚后結(jié)構(gòu)見圖 3。

3.1創(chuàng)建有限元模型

根據(jù)鉚后保持架結(jié)構(gòu)圖建立有限元模型，見圖 4 。

圖3　方頭鉚保持架鉚前、鉚后結(jié)構(gòu)

圖4　有限元模型

3.2設(shè)置邊界條件及網(wǎng)格化分

為了使保持架方頭鉚達(dá)到屈服，在有限元模型中將保持架的底面固定不動(dòng)，在方頭鉚與保持架蓋頂面接觸處設(shè)置接觸，在保持架蓋的底面上加載軸向載荷，其約束和載荷見圖 5。

圖5　約束和載荷模型

約束和載荷創(chuàng)建好后，定義模型的材料屬性，最后利用SolidWorks simulation提供的網(wǎng)格劃分工具將模型劃分成具有六面體單元的網(wǎng)格，網(wǎng)格模型見圖 6。

3.3計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算的過(guò)程中，改變軸向作用載荷，使得保持架方頭鉚達(dá)到屈服強(qiáng)度。通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)軸向載荷達(dá)到41.78kN時(shí)，保持架方頭鉚達(dá)到屈服強(qiáng)度239.7MPa，其計(jì)算應(yīng)力分布圖見圖 7。

圖6　網(wǎng)格化分

圖7　應(yīng)力分布圖

此計(jì)算結(jié)果是在確定了保持架鉚后支柱的長(zhǎng)度為3mm、高度為3mm時(shí)得到的。從應(yīng)力分布圖中可以看出，保持架方頭鉚達(dá)到屈服強(qiáng)度的位置在方頭鉚端頭支柱的拐角處，且確定了保持架達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的軸向載荷。若保持架鉚后支柱的長(zhǎng)度和高度選擇不同時(shí)，方頭鉚保持架達(dá)到屈服強(qiáng)度的位置和軸向載荷大小都會(huì)有所改變，所以選擇合適的支柱鉚后長(zhǎng)度和高度至關(guān)重要。

4　方頭鉚尺寸的選擇

方頭鉚保持架鉚后支柱的長(zhǎng)度δ2和高度h1的選擇對(duì)保持架的性能有重要影響，因此鉚后支柱的長(zhǎng)度和高度的選擇至關(guān)重要。下面分別對(duì)鉚后支柱長(zhǎng)度δ2=2（3，4，5）mm，高度h1=0.5，0.8，1.0，1.3，1.5，1.8，2.0，2.3，2.5，2.8，3mm時(shí)的保持架強(qiáng)度進(jìn)行了分析。鉚后尺寸見圖8。

圖8　鉚后尺寸

保持架的材料選取黃銅，其許用屈服強(qiáng)度為239.7MPa。以鉚后支柱長(zhǎng)度δ2=2（3，4，5）mm，高度h1=3mm時(shí)保持架達(dá)到許用屈服強(qiáng)度時(shí)的軸向載荷為基礎(chǔ)，計(jì)算鉚后支柱長(zhǎng)度相同、高度不同時(shí)保持架所受的應(yīng)力分布情況，其應(yīng)力布曲線見圖 9。

圖9　保持架所受應(yīng)力隨鉚后支柱高度的變化曲線

從圖 9 中可以看出，相同鉚后支柱長(zhǎng)度時(shí)，保持架所受應(yīng)力隨鉚后支柱高度的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，當(dāng)鉚后支柱高度值達(dá)到2mm以上時(shí)，應(yīng)力的變化趨于平穩(wěn)且小于保持架的許用屈服強(qiáng)度，所以鉚后支柱高度值應(yīng)大于2mm。根據(jù)軸承保持架生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，鉚后支柱的高度值一般不超過(guò)3mm，所以保持架鉚后支柱高度選擇2～3mm較為合適。將圖 9 局部放大，分布圖見圖 10。

圖10　局部結(jié)果分析圖

圖10曲線對(duì)比結(jié)果顯示，當(dāng)鉚后支柱高度大于2mm時(shí)，鉚后的支柱長(zhǎng)度選擇3～5mm比較合適。當(dāng)鉚后支柱高度等于2mm時(shí)，鉚后的支柱長(zhǎng)度選擇3～4mm較為合適。

5　結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算可知，保持架支柱鉚后的長(zhǎng)度和高度的選擇對(duì)保持架的屈服強(qiáng)度有很大的影響，進(jìn)而影響軸承的工作性能，所以正確地選擇支柱鉚后長(zhǎng)度和高度至關(guān)重要。

（1）固定保持架鉚后支柱長(zhǎng)度。對(duì)比不同鉚后支柱高度時(shí)保持架所受的應(yīng)力，得出保持架鉚后支柱高度選擇2～3mm較為合適。

（2）固定保持架鉚后支柱高度。對(duì)比不同鉚后支柱長(zhǎng)度時(shí)保持架所受的應(yīng)力，可以得出當(dāng)鉚后支柱高度大于2mm時(shí)，鉚后的支柱長(zhǎng)度選擇3～5mm比較合適。當(dāng)鉚后支柱高度等于2mm時(shí)，鉚后的支柱長(zhǎng)度選擇3～4mm較為合適。

［1］ 溫朝杰，曾獻(xiàn)智.圓柱滾子軸承保持架技術(shù)發(fā)展［J］.軸承，2015，（7）.［2］ 孫福利，陰紅.浪形保持架特殊鉚合模的設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)［J］.哈爾濱軸承，2011（2）.

［3］ 繁雨晴，馬瑩，姜韶峰.高精密軸承常用保持架材料［J］.軸承，2010（12）.

［4］ 鄭志功，頓涌泉，李定語(yǔ).塑料保持架的性能及實(shí)驗(yàn)分析［J］.軸承，2010（7）.

（編輯：林小江）

Performance analysis of cage with square rivet

Du Shanshan， Xu Meng， Guo Yufei
（ Engineering Center，Wafangdian Bearing Group Co.， Ltd.， Wafangdian116300， China ）

Impact of length and height after riveting of cage pedestal pillar out of cage cover part on cage performance were mainly elaborated. Using the finite element software Solid Works to calculate the strength of the cage when the length and height were different after the pillars riveting， Finally according to the comparison results of different circumstances to choose reasonable length and height after riveting to provide a theoretical basis for pillar riveting parameters of cage.

pillar riveting length； pillar riveting height； strength of cage； finite element software Solid Works

TH133.33+2

B

1672-4852（2016）03-0006-03

2016-07-13.

杜姍珊（1985-），女，工程師.