基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的滾滑軸承動力學(xué)仿真分析

盧黎明，龔賀師，熊國良，馬冰冰

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 南昌 330013)

軸承是機(jī)械裝備中的重要基礎(chǔ)件，在生產(chǎn)實(shí)踐中使用十分廣泛。然而在一些低速重載工作環(huán)境中，軸承的疲勞磨損問題十分嚴(yán)重[1]，為此在文獻(xiàn)[2]研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，設(shè)計了一種滾滑軸承[3]，其主要由外圈、滾子、滑塊和內(nèi)圈組成。有關(guān)滾滑軸承的一些性能，如運(yùn)動平穩(wěn)性，在受力運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾子和滑塊的受力情況等亟待確定。

針對滾滑軸承的受力運(yùn)動情況，運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行滾滑軸承三維實(shí)體建模，然后利用虛擬樣機(jī)技術(shù)的ADMAS虛擬樣機(jī)分析軟件進(jìn)行滾滑軸承運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)動態(tài)仿真，分析研究滾滑軸承的運(yùn)動平穩(wěn)性和其元件的受力情況，為滾滑軸承的進(jìn)一步深入研究和實(shí)際使用提供理論依據(jù)。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，其核心部分是多體系運(yùn)動學(xué)與動力建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。它是在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)揉合在一起，在計算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析,預(yù)測產(chǎn)品的整體性能,進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)[4-5]。

虛擬樣機(jī)通常包括3個主要模塊：(1) 3D立體模塊，具備完善的物理模型描述能力；(2)人際交互模塊，虛擬樣機(jī)技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的逼真顯示、動畫仿真和人機(jī)交互；(3)測試評估模塊，產(chǎn)品模型分析和評價是虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心，主要包括產(chǎn)品可制造性分析和產(chǎn)品性能評價,例如產(chǎn)品幾何形狀、空間布局、結(jié)構(gòu)學(xué)分析、動力學(xué)分析、可加工性分析、可裝配性分析及可維護(hù)性分析等等。

2 滾滑軸承的建模與仿真

2.1 幾何模型的建立

滾滑軸承由內(nèi)圈、外圈、圓柱滾子和滑塊組成，結(jié)構(gòu)參數(shù)為：軸承內(nèi)徑38.35 mm，軸承外徑77.8 mm，軸承寬度23 mm，滾子直徑11.9 mm，滾子長度28.6 mm,滑塊高度11.9 mm，滑塊中心弧長28.4 mm，滑塊寬度21.05 mm，滑塊外弧直徑62.14 mm，滑塊內(nèi)弧直徑57.77 mm，滾子數(shù)6個，滑塊數(shù)6個。通過這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定，滑塊可承擔(dān)大部分載荷，能降低滾子與套圈的接觸應(yīng)力；滑塊與滾子為相隔分布，這樣內(nèi)、外圈上的滑動摩擦是間斷性的，散熱性好。

根據(jù)上述條件，運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行建模，得到滾滑軸承的立體模型如圖1所示。

2.2 虛擬樣機(jī)的建立

將在Pro/E中建好的模型另存為x_t格式,然后導(dǎo)入ADAMS中，由于導(dǎo)入ADAMS中的幾何模型為曲面模型，故須對其進(jìn)行實(shí)體化。假定滾滑軸承材料為45#鋼,外圈與大地采用固定副連接，這樣可以使外圈固定不動；內(nèi)圈采用轉(zhuǎn)動副連接，并且對其賦予恒定轉(zhuǎn)速；施加于內(nèi)圈上的載荷為恒定載荷。由于滾子、滑塊、內(nèi)圈和外圈之間在運(yùn)動時會產(chǎn)生碰撞，利用 ADAMS 軟件中的三維實(shí)體接觸類型solid to solid 選項(xiàng)來定義它們的碰撞力。將Pro/E中建好的模型及上述條件導(dǎo)入ADAMS中，得到滾滑軸承虛擬樣機(jī)如圖2所示。

圖1 滾滑軸承立體模型

2.3 動態(tài)仿真

在上述滾滑軸承虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)定滾滑軸承的轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，軸承內(nèi)圈受到的恒定載荷為1 000 N，代入ADAMS 軟件進(jìn)行滾滑軸承的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，可得滑塊隨時間的振動位移如圖3所示，滾子隨時間的振動位移如圖4所示，滑塊隨時間的受力情況如圖5所示，滾子隨時間的受力情況如圖6所示。

圖2 導(dǎo)入ADAMS中的滾滑軸承

圖3 滑塊的振動位移

圖4 滾子的振動位移

圖5 滑塊的受力情況

圖6 滾子的受力情況

3 仿真結(jié)果分析

由圖3及圖4可知，在0～ 0.3 s，滾子和滑塊并未隨內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，其原因是摩擦力影響，在0.3 s后，克服了摩擦力開始隨內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，這符合滾滑軸承的實(shí)際轉(zhuǎn)動情況。另外，從圖中還可以看出滾子和滑塊上下振動幅度較小，振幅在0.5 mm左右，由此可知：滾滑軸承運(yùn)行比較平穩(wěn)，能有效避免產(chǎn)生大量的熱量和噪聲。

由圖5可知，當(dāng)滑塊處于最底端，滾滑軸承剛啟動時，滑塊平均受力1 000 N，圖中波形比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大的波動，隨著滑塊位置的上升，其受力逐漸減少，最后穩(wěn)定在500 N左右，符合實(shí)際情況。由圖6可知，滾子平均受力50 N，滾子受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊受到的力。由此可以看出，滾滑軸承受力部分主要是由滑塊承擔(dān)，這樣可有效減小滾子的接觸應(yīng)力，與設(shè)計初衷很吻合。

4 結(jié)論

(1)滑塊承擔(dān)了主要的載荷，滾子受到的載荷則相對較小，滾子與內(nèi)、外圈間的接觸應(yīng)力減小，從而在相同條件下滾滑軸承比滾動軸承具有更長的使用壽命，符合設(shè)計初衷。

(2)滾子和滑塊的相對振動幅度較小，滾滑軸承具有滾動軸承同樣的平穩(wěn)工作性能。