RomaxDesigner及RomaxCLOUD在軸承設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用

牛青波,于曉凱 ,趙圣卿, 漆楚雋

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039 ；4.諾邁士科技(杭州)有限公司，杭州311201)

1 RomaxDesigner簡介

RomaxDesigner是英國Romax科技有限公司(以下簡稱Romax)開發(fā)的傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)仿真分析軟件，主要應(yīng)用于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)和分析，在全球傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域享有盛譽(yù)，目前已成為汽車、風(fēng)電及齒輪傳動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)軟件。

軟件采用系統(tǒng)建模與分析的思想計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)變形及各部件上的載荷狀況，同時(shí)考慮系統(tǒng)中各部件之間的相互作用和影響，進(jìn)而能夠進(jìn)行齒輪修形設(shè)計(jì)、齒輪參數(shù)優(yōu)化、同步器尺寸計(jì)算，能夠?qū)ο到y(tǒng)中的齒輪強(qiáng)度、接觸應(yīng)力、軸承壽命、軸疲勞進(jìn)行計(jì)算，以及考慮齒輪箱箱體柔性情況的系統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算與分析、齒輪系統(tǒng)振動(dòng)噪聲(NVH)預(yù)估等。

軟件考慮結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)分析方法，使得工程計(jì)算更貼近實(shí)際，同時(shí)與ABAQUS，ANSYS等有限元分析軟件可無縫連接，幫助用戶實(shí)現(xiàn)便捷的信息交互及數(shù)據(jù)交換。

2 RomaxDesigner中的軸承分析功能

2.1 分析內(nèi)容

軟件不具備軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，不能對軸承進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主參數(shù)優(yōu)化，但軟件中內(nèi)嵌了國內(nèi)外先進(jìn)軸承企業(yè)的軸承樣本數(shù)據(jù)，用戶在系統(tǒng)分析中通過設(shè)置安裝方式及預(yù)設(shè)安裝參數(shù)等，可快速從數(shù)據(jù)庫中選擇出符合系統(tǒng)需求的軸承。在分析方面，以整體系統(tǒng)的分析方法，考慮柔性結(jié)構(gòu)以及預(yù)緊和內(nèi)隙的影響，重點(diǎn)分析滾動(dòng)體載荷分布、軸承壽命、接觸角、接觸應(yīng)力、接觸面積等，分析結(jié)果及依據(jù)見表1。

表1 分析結(jié)果及依據(jù)

2.2 與其他有限元軟件的區(qū)別

有限元軟件的計(jì)算量與模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量(剛度矩陣大小)的平方成正比關(guān)系，而軸承分析過程涉及接觸問題，需要大量的迭代計(jì)算才能得到軸承的位移及接觸應(yīng)力，計(jì)算量大。例如，1套考慮所有接觸對的普通角接觸球軸承，簡單的靜力學(xué)分析至少需要30 h(分析過程在小型工作站上進(jìn)行)，計(jì)算量大導(dǎo)致計(jì)算誤差大幅增加。若分析考慮軸承的機(jī)械系統(tǒng)，其計(jì)算誤差將更大。

RomaxDesigner可實(shí)現(xiàn)在同一模型中含有不同的建模方法：剛度矩陣、有限元模型、經(jīng)典理論模型(如鐵木辛格梁單元)、接觸單元、接觸單元簡化模型，并將軸承中的接觸問題通過Hertz接觸理論簡化為彈簧，從而將接觸問題大大簡化，在保證計(jì)算精度的前提下，減少了計(jì)算量，分析結(jié)果滿足工程應(yīng)用需求。分析流程圖及計(jì)算時(shí)間圖分別如圖1、圖2所示。

(a)有限元軟件

圖2 計(jì)算時(shí)間圖

3 RomaxCLOUD軸承專業(yè)設(shè)計(jì)與分析軟件簡介

面對日益復(fù)雜和嚴(yán)苛的工程項(xiàng)目，軸承設(shè)計(jì)與分析軟件的用戶體驗(yàn)與功能亟待提升，依據(jù)云計(jì)算，洛陽軸研科技股份有限公司聯(lián)合Romax推出了以網(wǎng)頁為載體的軟件服務(wù)來滿足以上需求，并把當(dāng)前設(shè)計(jì)與分析一體化推廣到中小軸承企業(yè)中。

云計(jì)算能在很大程度上促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)，簡化設(shè)計(jì)流程,并大大縮短產(chǎn)品推向市場的周期。與購買傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件相比，RomaxCLOUD用戶不需要在硬件、軟件、人員方面花費(fèi)大量的投資，而只需要按年支付服務(wù)費(fèi)用，通過互聯(lián)網(wǎng)便可享受到相應(yīng)的硬件、軟件和技術(shù)支持服務(wù)，并享有軟件的使用權(quán)和升級權(quán)。軟件在線平臺(tái)本身的管理員權(quán)限管控將使企業(yè)管理變得簡潔與透明，再加上領(lǐng)先的Romax軸承分析技術(shù)與微軟云服務(wù)平臺(tái)的可靠性，該軟件及服務(wù)平臺(tái)將會(huì)為軸承行業(yè)帶來革命性的發(fā)展。

目前，RomaxCLOUD V1.0版主要集成了5種軸承類型的優(yōu)化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的軸承庫：深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和滾針軸承，能夠快速進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)及分析，交付符合軸承標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙和完整的設(shè)計(jì)、分析計(jì)算報(bào)告，同時(shí)用戶可以創(chuàng)建屬于自己公司的軸承知識(shí)數(shù)據(jù)庫。軟件登錄界面如圖3所示。

圖3 軟件登錄主界面

4 基于RomaxCLOUD的軸承設(shè)計(jì)與仿真分析案例

4.1 設(shè)計(jì)及優(yōu)化

以重載汽車用圓錐滾子軸承32222為例，介紹RomaxCLOUD設(shè)計(jì)過程，軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 主參數(shù)設(shè)計(jì)

確定主參數(shù)后，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。軸承應(yīng)滿足多項(xiàng)設(shè)計(jì)約束條件，帶有“√”的條件約束表明設(shè)計(jì)合理，否則應(yīng)更改某些輸入?yún)?shù)以滿足該軸承的設(shè)計(jì)約束條件，軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件如圖5所示(約束條件中的G3, G4, G6, G7, G8分別代表第3，4,6,7,8個(gè)約束條件)。

圖5 軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件

所有輸入和設(shè)計(jì)參數(shù)均會(huì)在軟件界面中顯示，且設(shè)計(jì)參數(shù)均可編輯優(yōu)化以進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)化軸承設(shè)計(jì)，包括孔徑、內(nèi)外徑、寬度、倒角尺寸、滾子尺寸、滾子數(shù)量、額定動(dòng)載荷和靜載荷、質(zhì)量等。同理，軸承各零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)也可進(jìn)行優(yōu)化。若參數(shù)更改不合理，軟件會(huì)提出警告，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束后，軟件會(huì)將設(shè)計(jì)軸承自動(dòng)加入數(shù)據(jù)庫，并出具詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)告、裝配圖、零件圖(軟件默認(rèn)PDF版)等，設(shè)計(jì)圖紙也可另存為其他CAD兼容格式，以便用戶進(jìn)行其他操作。軟件設(shè)計(jì)裝配圖如圖6所示。

圖6 32222/P0設(shè)計(jì)裝配圖

4.2 仿真分析

RomaxCLOUD仿真分析功能內(nèi)核基于RomaxDesigner，兩者分析過程及計(jì)算方法相同，且RomaxCLOUD設(shè)計(jì)與分析功能可與RomaxDesigner等Romax系列軟件無縫兼容。

通過RomaxCLOUD，用戶可以創(chuàng)建多個(gè)基于實(shí)際應(yīng)用的軸系統(tǒng)，所使用軸承來自用戶創(chuàng)建的軸承或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。軸承選擇時(shí)，可以根據(jù)軸承名稱、安裝方向以及安裝方式(如游隙、配合)，選擇內(nèi)外圈安裝預(yù)載設(shè)置、溫度、載荷工況、潤滑油和載荷時(shí)間等，軸承軸系分析示意圖如圖7所示，軸承分析計(jì)算結(jié)果目錄如圖8所示，涵蓋了軸承載荷、位移、錯(cuò)位量、剛度矩陣、接觸應(yīng)力、油膜厚度、壽命等軸承校核分析數(shù)據(jù)。整個(gè)分析過程僅需10～60 s。

圖7 32222軸承軸系分析

圖8 軸系分析計(jì)算結(jié)果目錄

RomaxCLOUD精確計(jì)算了左、右支承軸承內(nèi)部滾動(dòng)體載荷分布情況，其沿圓周方向滾子的受力如圖9所示(圖中每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)滾子，且內(nèi)、外滾道載荷相等)。進(jìn)一步進(jìn)行接觸應(yīng)力校核計(jì)算， 32222軸承軸系左、右支承軸承內(nèi)圈接觸應(yīng)力值及應(yīng)力安全系數(shù)見表2，右支承軸承內(nèi)圈接觸應(yīng)力較大，但仍小于疲勞應(yīng)力極限值(1 500 MPa)。采用ISO 281:2007及ISO/TS 16281計(jì)算的軸承壽命見表3，右支承軸承受力較大，其損傷較大，壽命值較低，且采用ISO/TS 16281計(jì)算的壽命值明顯低于ISO 281:2007，這是由于ISO/TS 16281考慮了軸承游隙、軸偏斜等軸系統(tǒng)因素對軸承壽命的影響，更符合軸承的實(shí)際工況，計(jì)算結(jié)果更加精確。

圖9 載荷分布圖

表2 最大接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 軸承壽命對比

5 結(jié)束語

介紹了RomaxDesigner及RomaxCLOUD的特點(diǎn)及其在軸承應(yīng)用時(shí)的仿真分析功能， RomaxCLOUD以云計(jì)算方式計(jì)算，用戶可以通過電腦、筆記本、手機(jī)等方式接入數(shù)據(jù)中心，按需求進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)與分析，突破了現(xiàn)有傳統(tǒng)軸承設(shè)計(jì)分析軟件的應(yīng)用模式,可以為軸承的設(shè)計(jì)與分析提供參考。