工程機(jī)械多軸傳動系統(tǒng)軸承壽命探析范文

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摘要：

軸承作為傳動軸的關(guān)鍵支撐零部件，在多載荷、多工況下，軸承壽命的正確評估成為工程機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。文中以一工程機(jī)械多軸傳動系統(tǒng)為研究對象，在9種工況擋位下，運(yùn)用Romax軟件建立傳動系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，通過ISO軸承壽命計(jì)算法和軸承修正壽命計(jì)算法對軸承壽命仿真計(jì)算，由模擬數(shù)據(jù)評估軸承的使用壽命，為傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的軸承選型設(shè)計(jì)和壽命分析提供參考。

關(guān)鍵詞：

工程機(jī)械；軸承；壽命計(jì)算；虛擬樣機(jī)；仿真計(jì)算

0引言

自20世紀(jì)50年代液力傳動技術(shù)出現(xiàn)以來，工程機(jī)械傳動系統(tǒng)為適應(yīng)多工況、多擋位工程需求，經(jīng)過機(jī)械到液力、手動到自動、行星式到定軸式，多種傳動形式的變革和發(fā)展，促進(jìn)了工程領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步[1-3]。其中軸承作為傳動軸的關(guān)鍵支撐零部件，在多載荷、多工況下，軸承壽命的正確評估成為傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。本文以一工程機(jī)械多軸傳動系統(tǒng)為研究對象，其支承系統(tǒng)由圓錐滾子軸承承受軸兩端軸向力和徑向力，由齒輪輪轂處的推力圓柱滾子軸承和徑向滾針軸承組合承受斜齒輪的徑向力和軸向力。在傳動系統(tǒng)的9種載荷工況下，軸承壽命計(jì)算成為軸承選型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由于工況多，軸承型號及數(shù)量多，純手工計(jì)算較復(fù)雜[4]。本文介紹Romax的兩種軸承壽命計(jì)算方法[5-8]，建立系統(tǒng)的虛擬模型仿真軸承壽命計(jì)算，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的軸承選型設(shè)計(jì)提供參考。

1多軸傳動系統(tǒng)軸承支承布局

多軸傳動系統(tǒng)由圓柱斜齒嚙合傳動，7個(gè)軸系組成，每個(gè)軸系兩端由圓錐滾子軸承支承，離合器齒輪通過一列或幾列滾針軸承與軸聯(lián)接，兩邊采用推力圓柱滾子軸承承受徑向力，動力由SR軸輸入，SC軸輸出，如圖1所示。

2軸承壽命分析理論

1）ISO軸承壽命計(jì)算公式為L10,ISO=a1a2a3（C/P）n。（1）式中:a1為可靠性修正系數(shù)；a2為材料修正系數(shù)；a3為潤滑修正系數(shù)；C為軸承額定動載荷；P為軸承當(dāng)量動載荷；n為壽命指數(shù)，球軸承為3，滾子軸承為10/3。ISO軸承壽命計(jì)算采用當(dāng)量載荷計(jì)算方法，考慮軸向和徑向載荷，但沒有考慮單個(gè)滾動體承載情況，也沒考慮滾道承載能力，計(jì)算的軸承壽命有限制，可以做一定的參考。2）軸承修正壽命計(jì)算公式為：L10,Adjusted=flz•L10,ISO；（2）flz=（Pe/PeISO）n。（3）式中:Pe為實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動體當(dāng)量載荷；PeISO為ISO軸承計(jì)算條件下即不考慮滾子偏斜、軸承游隙、預(yù)載荷、高速離心效應(yīng)時(shí)滾動體當(dāng)量載荷；flz為區(qū)域載荷系數(shù)，考慮運(yùn)動過程中滾動體承載情況，其值總是小于1.0，但少數(shù)情況下滾動體載荷分布情況優(yōu)于ISO軸承計(jì)算結(jié)果時(shí)，其值超過1.0。

3建模

利用Romax的建模功能建立起多軸傳動系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，見圖2。仿真計(jì)算時(shí)，采用SKF軸承數(shù)據(jù)，部分軸承通過自定義增加到數(shù)據(jù)庫中。多軸傳動系統(tǒng)中選用的軸承型號見表1。傳動系統(tǒng)的各載荷工況見表2。

4分析

Romax對每個(gè)載荷工況下的軸承壽命有小時(shí)數(shù)和損傷百分比計(jì)算結(jié)果。損傷百分比是載荷工況持續(xù)時(shí)間與計(jì)算出的壽命時(shí)間比值，當(dāng)損傷百分比大于100%時(shí)，軸承容易損壞。對于多載荷工況，Romax對軸承壽命計(jì)算依據(jù)Miner法則疊加各載荷工況下的小時(shí)數(shù)和損傷百分比，當(dāng)損傷百分比超過100%時(shí)，軸承容易損壞。表3列出了軸兩端圓錐軸承壽命的計(jì)算結(jié)果。分析表3數(shù)據(jù)可知，修正壽命小時(shí)數(shù)低于ISO壽命小時(shí)數(shù)，前者損傷百分比也更大。修正壽命計(jì)算方法較ISO壽命計(jì)算方法更安全，更有參考性。對于圓錐滾子軸承而言，一個(gè)載荷循環(huán)后，軸承L3Taper-R損傷百分比最高為36.272%，最低壽命小時(shí)數(shù)為12406.415h，對于4500h需求來說，足以滿足壽命要求。

5結(jié)論

工程機(jī)械多軸傳動系統(tǒng)軸兩端采用圓錐滾子軸承、齒輪轂體處由滾針軸承和軸向推力軸承為支承結(jié)構(gòu)，軸承類型、數(shù)量較多，借助Romax建立系統(tǒng)的虛擬仿真模型，通過ISO軸承壽命計(jì)算法和修正壽命計(jì)算法，仿真計(jì)算傳動系統(tǒng)的各軸承壽命，分析仿真數(shù)據(jù)，評估軸承壽命，對傳動系統(tǒng)的軸承選型和設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。

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作者:童春 辛越峰 劉健松 單位:中國工程物理研究院流體物理研究所