基于Workbench下深溝球軸承內圈模態分析

牛濤

摘 要：針對深溝球軸承內圈在工作過程中出現共振的問題，利用有限元軟件Wokbench對其進行模態分析，得到固有頻率和振型，從而避開共振區域，減少內圈失效率，提高軸承內權的使用壽命。

關鍵詞：內圈;模態分析;軸承

引言

目前隨著我國現代化工業的發展，大量的機械設備投入使用，深溝球軸承作為目前工業設備中的重要的轉動零件之一，其結構簡單由一個外圈，一個內圈、一組鋼球和一組保持架組成。滾動軸承廣泛應用于汽車、風電、機床設備及國防事業中，是起著支撐其它零部件和保證傳動精度作用的核心元件，同時也是旋轉設備中最易損壞的零部件之一。在外部環境干擾下引起振動從而導致滾動軸承內圈微小的斷裂現象，經過長期的工作等到軸承故障不斷的嚴重化，導致整個設備無法正常運轉而降低了工作效率甚至會引發較大的安全事故，造成巨大的的經濟損失和人員傷亡。若對其進行有限元模態分析得到內圈固有頻率，再對其進行故障診斷得到內圈失效頻率，進行優化。從而提高振動對滾動軸承內圈的影響能夠，使內圈性能提高，進而改善滾動軸承整體性能。

本文以6210深溝球的內圈研究對象，首先利用三維建模軟件UG建立幾何模型，其次利用有限元軟件Workbench建立深溝球振動模型，進行模態分析，得到固有頻率。其如圖1所示深溝球軸承。

1.深溝球的模態分析

在實際工作中深溝球的運動是通過內圈與傳動軸之間的過盈配合來傳遞的，即通過內圈內表面與傳動構件表外面的接觸來傳遞扭矩。內圈與滾動體、滾動體與外圈存在非線性接觸，為了避免接觸帶來的求解誤差，單獨對深溝球內圈進行模態分析。本文選取應力分布更均衡的6210深溝球導入WorkBench進行模態分析，并且選運用Workbench軟件模態分析中的子空間迭代法，進行固有頻率與振型的有限元求解。

1.1建立三維模型

深溝球內圈模型相對簡單，根據表1中6210深溝球數據采用三維軟件UG對內圈進行幾何模型建立?？紤]到一些工藝角不會影響深溝球模態分析的結果，為了方便求解和網格的劃分不會對工藝角進行幾何建模，如圖2所示內圈三維模型。

1.2網格的處理

目前國內外主流有限元網格模型分六面體和四面體網格，其中六面體網格求解精度高但是對于復雜的模型不利于劃分或者劃分網格周期長，而四面體網格劃分時間短但求解精度低。考慮到深溝球內圈結構簡單且工藝角并沒有三維建模、所以對模型進行六面體網格劃分，得到5400個單元，內軸被劃分為個25815節點，5268個單元，這樣基本滿足計算需要。如圖所示為深溝球內圈網格模型。

1.2材料設置與約束條件

材料設置：目前深溝球內圈的材料選擇GCr15，彈性模量為2.1×1011Pa，密度為7.80×103kg/m3，泊松比為0.3。

約束條件：根據深溝球的工作原理可知，深溝球是通過內圈與傳動軸之間的過盈配合來傳遞的，即通過內圈內表面與傳動構件表外面的接觸來傳遞扭矩，既內圈保證其軸向轉動。依據實際情況在有限元軟件Workbench中約束內圈內表面（A面）與外表面（B面）的X，Y方向轉動和移動，約束Z方向的移動，施放Z方向的轉動。如圖3所示約束模型：

1.3模態結果

完成幾何模型的建立，模型網格的劃分、材料的附屬、約束的設置之后，對內圈進行求解。? 在Workbench有限元軟件中，求解方法歸結為六種，分別是：Block Lanczos、PCG Lanczons、Supernode、Unsymmetric、Damped和QR damped。通常選擇求解精度高且速度快求解器方式進行求解，既Block Lanczos求解方法，得到數據如圖4所示：

2 結論

使用UG軟件對6210深溝球軸承內圈進行建模，并導入到Workbench軟件中進行模態分析，得到固有頻率隨著模態階數增加而增加，由于1階固有頻率1.84e-003Hz，2階及其之后的固有頻率1602.4Hz，在軸承內圈工作過程中不易發生共振。利用模態分析避開固有頻率，但在軸承工作過程中出現的內圈失效頻率為接下來研究目標。

參考文獻：

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