采煤機行走輪軸承有限元分析

閆炳雷 YAN Bing-lei；臧彤 ZANG Tong；文斌 WEN Bin

（三一重型裝備有限公司，沈陽 110027）

（Sanyi Heavy Equipment Co.，Ltd.，Shenyang 110027，China）

0 引言

軸承作為采煤機行走部的關鍵部件之一，主要作用是承載機身重量和為行走部的運動提供精確的引導，保證軸的旋轉精度，減少軸與支承之間的摩擦和磨損。滑動軸承一般應用在低速重載工況或是維護保養及加注潤滑油困難的運轉部位。公司某型號采煤機產品中，行走輪軸承采用滑動軸承，使用過程中出現了多次損壞的現象。現對軸承進行仿真分析，以分析問題產生的原因及相應的改進措施。

1 滑動軸承

滑動軸承工作在滑動摩擦的狀態下，接觸部位是一個面，工作平穩、可靠、無噪聲，在液體潤滑條件下，滑動表面被潤滑油分開而不發生直接接觸，減小了摩擦和表面磨損。此外，油膜還具有一定的吸振能力。但起動摩擦阻力大，因磨損而造成間隙后無法調整。

2 滑動軸承特點

①能承載一定的載荷，具有一定的強度和剛度；②具有小的摩擦力矩，回轉件轉動靈活；③具有一定的支承精度，保證被支撐件的回轉精度。

3 滑動軸承有限元分析過程

3.1 Pro/E實體建模 在Pro/E中建立滑動軸承三維模型，軸承潤滑形式為自潤滑，為了后面便于施加約束，將與軸承連接的輪軸一起進行簡化分析，如圖1所示。

3.2 網格劃分 將模型導入到ANSYS Workbench中進行分析。因為模型較為規則，故選用掃略方法進行網格劃分。單元類型選用默認的六面體實體單元Solid186，單元大小通過設置邊的劃分數目進行調整。彈性模量取200GPa，泊松比值取0.3。劃分網格后，節點數為143312，單元數為32451。如圖2所示。

圖1 滑動軸承與輪軸的三維模型

3.3 滑動軸承的約束與加載 已知該型號采煤機整機重量為27T，由四個滑靴支撐，每個滑靴承受的載荷為27T/4=6.75T整機載荷依次通過行走輪、軸承、銷軌輪軸傳遞到滑靴上。因此每個滑動軸承承受的載荷也為6.75T。在滑動軸承的一個半圓柱面上，施加大小為67500N，方向豎直向下的力。滑動軸承與銷軌輪軸通過輪軸螺釘固定在滑靴上，因此在軸承與螺釘接觸的地方施加固定約束。如圖3所示。

圖2 滑動軸承與輪軸的網格模型

圖3 滑動軸承與輪軸的約束與加載

3.4 滑動軸承的結果分析 利用軟件的后處理功能，得到滑動軸承的應力云圖與變形云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 滑動軸承應力云圖

圖5 滑動軸承位移云圖

由軸承的等效應力云圖可知，應力較大區域出現在滑動軸承以及潤滑槽的邊沿處，由于結構的突變產生應力集中。除此之外，其余部位的應力值均在16MPa以下。滑動軸承采用的材料為GCr15，屈服極限為518.42MPa。可見，滑動軸承完全滿足強度要求。

由位移云圖可知，最大位移為3.5um，出現在滑動軸承的兩側，滑動軸承的上部與下部由于有輪軸的支撐，變形較小。由于輪軸與滑靴連接，滑動軸承繞輪軸旋轉，在工作中的受力部位不斷發生變化，因此滑動軸承上每一處的變形也在發生著變化。

3.5 損壞原因分析 滑動軸承主要承受徑向載荷，但從仿真分析結果來看，徑向力并不是造成軸承損壞的主要原因。從現場圖片（如圖6）觀察，大部分損壞軸承都有較為嚴重的磨損，因此判斷軸承損壞的主要原因是潤滑不暢。

圖6 滑動軸承損壞圖片

對滑動軸承而言，軸承與旋轉軸之間處于低速回轉運動狀態，軸承不僅支撐旋轉軸，同時需要承受作用在軸上的載荷，由于軸承整體受力不均，在不同部位有著不同的應力，軸承與輪軸接觸處存在應力集中，隨著各工況下的低速旋轉或突然的加速減速，都會造成應力集中部位發生材料的疲勞破壞或者強度破壞，導致軸承發生故障。

由于煤礦生產環境惡劣，粉塵多，工況苛刻，且采煤機機身較重，若密封不良或潤滑油有雜質，都將會導致軸承在旋轉時與輪軸直接接觸，造成磨損破壞或者形成疲勞點蝕。

4 結論

煤礦環境對潤滑系統的封閉性要求嚴格，應保證潤滑油的純度，使油膜的厚度滿足要求。滑動軸承若不能及時供油，則會造成軸承卡死的現象，磨損加劇。當發現回轉阻力過大時，應及時停機，檢查原因并排除故障。另外可以采用滾動軸承結構，起動性能好，摩擦阻力小且潤滑方便。

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