偏載對高爐布料器上回轉支承動力學分析

關麗坤, 劉振業，任學平

(內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭014000)

0 前言

交叉圓柱回轉支承可以承受較大徑向載荷和軸向載荷、傾覆力矩等聯合載荷作用，故被廣泛應用于旋轉高爐回轉支承。其中上回轉支承是高爐旋轉布料器在工作中不可或缺的承載零件，常用于控制驅動溜槽旋轉和傾動，在工作狀態中有著承上啟下的作用，屬于承接型軸承，由于長期處于高溫、高壓、重載的工作環境中，故障發生概率較大，且拆卸和裝配都需耗費大量時間和人力資源，驗證回轉支承失效原因就顯得十分重要。

高爐旋轉布料器上回轉支承損壞狀態通常表現為滾動體磨損、斷裂，從而造成滾道點蝕、磨損。爐料沖擊和運行環境的變化都會導致回轉支承中心線發生偏斜，導致滾子產生偏載效應，應力集中的出現如圖1所示。本文針對圖1 所示某廠滾子滾道失效情況，研究高爐回轉支承布料器滾子的受力和運行。

圖1 滾子滾道失效圖

丁長安等[1]利用光滑彈性點接觸理論，經過推導研究得到設置解除區域的合適參數，從而計算出有關彈性接觸的彈性趨近量。杜睿等[2]使用求解方法解出單排接觸球型回轉支承的滾動體受力分析，并得出承載能力公式。李華帥[3]利用Adams軟件，將回轉支承中夾套式滾子柔性體，整體進行剛柔耦合仿真分析，從而得到滾子輪壓。宗海勇等[4]利用Abaqus對回轉支承部分損傷模型進行數值仿真，驗證模型合理性，對滾道損傷研究提供一種研究方法。衣凰[5]應用Adams軟件對挖掘機的回轉支承進行動力學仿真研究，得到滾子和滾道在不同工作狀態下的接觸力和摩擦力矩分布情況。周明星[6]通過利用Ansys做出柔性體將Adams模型置換為剛柔耦合模型后，分析出滾子的接觸力分布情況。Flasker等[7]用數值模擬的方式對回轉支承裂紋進行研究，得出裂紋分布和載荷分布的影響。Rezaei等[8]研究了往復運動情況下回轉支承間隙和接觸應力的關系和對動力學的影響。丁龍建等[9]利用Abqus有限元軟件非線性接觸進行模擬回轉支承，結果和理論值對比分析。曾維霆等[10]利用解析法為承受偏載的回轉支承提供理論支持。結合文獻[1～10]并進行比對，提出偏載可能是導致滾子滾道失效的重要原因之一，并以此作為研究切入點進行動力學仿真。

1 回轉支承載荷等效

極限位置3°與55°中，溜槽在55°時回轉支承所受軸向力最大，不同偏載條件下變化最為明顯，故選擇溜槽55°時回轉支承的受力為力學參數。如圖2所示G為溜槽內礦料重量，取2 573 kg；G0代表溜槽及托架組合重量，取8 063 kg；FC代表礦料沖擊力，取835 kg，N為耳軸轉套對耳軸的支承力。

圖2 55°時溜槽耳軸組合重心分析模型

根據圖紙所示溜槽55°時回轉中心與重心連線與垂直軸夾角α2=32.14°。

根據受力分析，上回轉支承只承受軸向力和徑向力。耳軸轉套的重心應該有少許偏離垂直對稱軸，但偏心重量應該不大，此處計算忽略耳軸轉套的偏心重量。

2 回轉支承動力學仿真分析

2.1 高爐上回轉支承三維模型建立

本文研究的上回轉支承機構滾子排布如圖3所示，整個上回轉支承機構由滾柱滾動體、隔離塊、內圈和外圈組成，滾動體部件沿著內圈呈現對稱分布。在上回轉支承運行時，滾柱滾動體沿著內圈滾道進行公轉，且每個滾柱滾動體沿著自身回轉軸進行自轉。

圖3 上回轉支承滾子排布局部簡圖

由于滾柱滾動體在回轉支承上呈現均勻對稱分布狀態，且交叉排布，考慮到節省計算機資源，故以90°為間隔單元分別取排列正反方向各4個滾柱滾動體為研究對象。其中滾子軸線和回轉中心中軸線夾角小于90°設為正方向，大于90°設為反方向。將內圈質心處建立在總體坐標系e，其圓周面建立在xy平面，選擇以軸豎直向上方向為正方向，通過裝配體的建立得到交叉圓柱滾子和其余部件配合方式。

2.2 高爐上回轉支承剛柔耦合模型理論

高爐上回轉支承滾柱滾動體中的滾子全部圍繞回轉支承中心做滾動運動，偏載和摩擦會讓滾子和導軌之間發生碰撞接觸，導致滾子速度變化。而通過對滾柱滾動體柔性化設置，會更貼近實際變形情況，提高了仿真的真實可靠性。剛柔耦合模型是基于柔性體離散化所建立的，柔性體部件的基本變形可以用局部變形相對于總體坐標系e=[x,y,z]的變化，上回轉支承機構柔性體，歐拉坐標ψ=[ψ,θ,φ]用來反映部件的位置，柔性體彈性變形可用模態坐標q={q1,q2,…qM}(qi為第i階模態坐標)，高爐旋轉布料器上回轉支承柔性體廣義坐標為

(1)

在柔性體上設置一點，其位置可表示為

ri=x+A(si+φiq)

(2)

式中，A為物體坐標系轉換到慣性坐標的矩陣；si為i點未變形的位置。

將式(2)進行求導可得出該點的移動速度為

節點i的角速度可以用變形角速度相加物體剛度角速度表示，即

式中，φ′是對應結點i對應轉動自由度的模態矩陣子塊。

2.3 求解流程

柔性體的建立可以通過Adams/Flex模塊做柔性化處理，但是復雜模型柔性化結果不夠精確，而通過Ansys、Abaqus將模型柔性化會更加實用，本文采用Abaqus軟件進行部件柔性化，在Soldworks對上回轉支承建立模型后，將上回轉支承滾子模型導入Abaqus中進行有限元模型創建，生成柔性體。考慮到主要研究滾子變形及其運動方式，且內外圈變形相對較小，隔離體近乎不與回轉支承內外圈進行接觸，故進行進一步分析過程中將內外圈和隔離體保留為剛體。

整體上回轉支承機構材料為42CrMo鋼，屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，在Abaqus前處理時需要定義材料屬性，定義如下：彈性模量E=212 GPa，泊松比V=0.28，密度ρ=7.85×103kg/m3。根據滾子形狀規則且有對稱中心，故采用中性軸算法，四面體單元進行劃分網格，為節約計算機資源選擇最小網格過度選項。

網格劃分結束后，需要把外部節點和剛性區域建立在上回轉支承滾動體上，Adams會針對外部節點和剛性區域分別施加載荷約束和驅動，在根據Abaqus生成的中性文件，通過和Adams輸出口鏈接導入其中，并替換相應位置的剛性文件，其中回轉支承滾動體的剛度、節點位置、頻率、質心都會保留在中性文件中。將上回轉支承滾子模態中性文件替換Adams中的剛性滾部件，并將其材料屬性修改為所需屬性材料，將替換文件后的模型添加運動副，運動副類型如表1所示。

表1 上回轉支承部件關鍵約束

將所計算載荷添加加入模型中，結合真實運動方式對模型施加驅動，驗證模型正確性，確保沒有過約束和受力重合的現象出現，模擬仿真，并驗證模型的運動副施加情況是否與現實應用情況相吻合，最后確定具體接觸設置參數，參數如表2所示。

表2 上回轉支承部件接觸設置

3 仿真結果分析

3.1 偏載角度對滾子和內圈接觸力的影響

高爐旋轉布料器上回轉支承機構在工作階段，不同的偏載角度將會對交叉滾柱上回轉支承的正反向各4個滾子與內圈接觸力產生影響，圖4a為正向1號滾子和內圈所在空間接觸力的變化圖像；由圖4b可知，正方向滾子和內圈的接觸力隨偏載角度的增大而增大；圖4c反應反方向滾子和內圈接觸力也隨著偏載角度的增大而增大，過大的接觸力可能會導致滾子卡死，對滾子和滾道產生損害。

圖4 滾子和內圈接觸力變化

3.2 偏載角度對滾子和外圈接觸力的影響

高爐旋轉布料器交叉滾子上回轉支承機構在回轉支承外圈和水平方向有不同偏載角度，正反兩個方向的滾子和外圈的接觸力也會發生變化，這也可能是導致機構失效的重要原因，由圖5a可知，正方向1號滾子和外圈接觸力也隨著偏載角度的增大而增大，整體增大趨勢同滾子和內圈相同，對4個正向滾子和滾道圖5b表明正向滾子和外圈接觸力都隨角度增大而增大。圖5c反向滾子和外圈接觸力也隨偏載角度增大而增大。過大的接觸力可能是導致回轉支承失效的重要原因之一。

圖5 滾子和外圈接觸力變化

3.3 不同偏載角度下滾子強度分析

通過有限元方法，將Adams中計算的所有滾子應力最大值提取，通過Ansys有限元計算得到應力，再進行強度分析，并采用相關準則對其進行強度評價。該研究可以為工程當中回轉支承滾子設計、改進、優化以及實驗檢測提供理論指導和依據。根據滾子的工作條件，滾子載荷有三種工況，其大小分別為1 364 N、2 161 N、4 674 N。三種工況載荷施加方法相同，以載荷1 364 N的施加作為示例。載荷施加在滾子的上滾道的上表面，大小為1 364 N，方向豎直向下。

當完成網格劃分、材料屬性設置、約束設置、載荷加載后即可對回轉支承滾子強度進行仿真分析，分別得到1 364 N(工況1)、2 161 N(工況2)、4 674 N(工況3)三種工況下應力云圖，如圖6所示。三種載荷條件下的最大等效應力分別為11 MPa、18 MPa、39 MPa。滾子的材料42CrMo為塑性材料，塑性材料失效的評價準則為最大等效應力小于屈服強度，因此采用屈服極限作為其性能失效判據，42CrMo的屈服強度為930 MPa，可以看出三種工況下滾子的最大等效都小于其屈服強度，因此，回轉支承偏載不會馬上讓滾子產生失效，可以考慮滾子失效是疲勞、熱等其他原因產生的。

圖6 三種工況下回轉支承滾子應力圖

4 結論

(1)對不同偏載角度下的旋轉布料器交叉滾柱回轉支承進行動力學仿真，得出兩個方向滾子和內外圈接觸力隨偏載角度的增大而增大。

(2)將接觸力導入Ansys Workbench進行強度分析，對回轉支承滾子三種載荷工況進行有限元計算分析，分析結果顯示，三種工況的最大等效應力都小于滾子材料屈服強度。

(3)通過強度評價，其強度滿足強度要求，因此該滾子可以滿足回轉支承的使用條件。故考慮偏載不是造成滾子失效的直接原因，本文為后續對滾子的疲勞壽命計算提供參數基礎。