一种高温环境下承载能力强的回转支承及提高其承载能力的方法与流程

本发明属于回转支承设计领域，更具体地说，涉及一种高温环境下承载能力强的回转支承及提高其承载能力的方法。
背景技术：
：回转支承即转盘轴承，其结构组成主要包括滚动体和内、外滚圈等。因其可以承载较大倾覆力矩和轴、径向载荷的共同作用，同时兼具运转方便灵活、结构简单紧凑、装拆方便快捷等应用优势，所以逐渐在各种机械领域得到广泛运用。在一些高温工况(如工频炉、铁水钢包、熔炼炉转包等)中使用的回转支承，不仅要承受高温产生的巨大热应力，同时还要承载回转平台等物体自重的共同作用，一旦超过其许可的承载应力值，极容易造成回转支承滚道损坏，从而影响整个机械以及整条作业线的正常运转。回转支承的承载能力与滚动体和滚道接触区域的应力场密切相关。目前回转支承接触区域的应力分析主要有两种方法：基于Herts接触理论的解析法和有限元法；基于Herts接触理论的解析法需要对模型进行大量的简化，并且不考虑材料的塑性变形、滚动体与滚道之间的摩擦及滚圈的表面处理等等，因此这种解析法的误差较大。有限元法是近些年来随着计算机技术的快速发展而形成的一种利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟的数值分析方法，这种方法可以模拟更接近实际的工况，计算结果更加精确。当前利用有限元软件已能够比较方便地对常温下的回转支承承载性能进行分析，然而要想准确地反映高温环境下回转支承的承载性能则比较困难。主要是由于回转支承模型一般较大，需要将温度场与应力场进行耦合来模拟更接近实际的工况，而加上热力耦合算法求解速度相对较慢，如果想得到较为精确的结果，需要花费大量的计算时间。且对高温回转支承的优化改进需考虑更多因素，这样就需要对很多组不同模型进行热力耦合分析，将会浪费大量的精力和时间在有限元求解计算中，是相当不值得的。经检索，在常温下利用有限元法设计回转支承的方案已有公开，如中国专利号ZL201210102961.4，授权公告日为2014年5月7日，发明创造名称为：一种风力发电机主轴调心滚子轴承及其设计方法；该申请案的轴承设计过程包括以下步骤：a.建立坐标系；b.计算主轴受力；c.计算调心滚子轴承受力；d-1.计算接触应力；d-2.取下限值A1；d-3.取上限值A2；d-4.利用差值法进行计算；d-5.计算满足|Ui-Vi|<3Ui/100且|Ui-Vi|<3Vi/100的比例系数Ai，设计出符合要求的轴承。该申请案有效减小了滚子与滚道的接触应力，采用有限元和差值算法，将两排滚子接触应力的差值控制在较小的3％以内，解决了滚子受力不均衡问题，提高了轴承使用寿命。但正如上文分析，该申请案并不适用于高温环境下回转支承的承载性能计算，仍需有针对性的重新设计一种提高回转支承高温环境下承载能力的方案。技术实现要素：1.发明要解决的技术问题为了准确地计算高温环境下回转支承接触区域的应力分布并对其承载能力进行优化，本发明提供了一种高温环境下承载能力强的回转支承及提高其承载能力的方法；本发明利用有限元建模模拟高温环境下回转支承的工况，求解出接触区域的应力分布情况，并综合考虑回转支承接触角、滚道半径与滚球半径比值、滚球半径、淬硬层深度和滚道硬度等因素的影响，利用正交试验分析得出其承载能力最强的参数组合，从而提高回转支承的承载能力。2.技术方案为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：本发明的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，利用有限元建模模拟高温环境下回转支承的工况，求解出滚动体和滚道接触区域的应力分布情况，并分析单一结构因素对回转支承承载能力的影响，再利用正交试验分析多个结构因素共同改变时对回转支承承载能力的影响，得出回转支承承载能力最强的参数组合，从而提高回转支承的承载能力。更进一步地，所述的结构因素包括回转支承接触角、滚道半径与滚球半径比值、滚球半径、淬硬层深度和滚道硬度。更进一步地，所述的利用有限元建模模拟高温环境下回转支承的工况，求解出滚动体和滚道接触区域的应力分布情况的具体过程为：1)根据回转支承实际尺寸参数在SolidWorks软件中建立回转支承模型；2)将SolidWorks软件创建好的回转支承模型导入到ABAQUS有限元软件中；3)在ABAQUS软件中建立两个静力分析步，在第一个分析步中，对回转支承施加轴向载荷，使滚动体和滚圈之间建立稳定的接触关系；在第二个分析步中施加温度场；4)在ABAQUS软件的接触设置里选用表面与表面接触类型，且设置滚动体表面为主接触面，内、外圈滚道面为从接触面，同时设置摩擦属性切向行为为“罚”函数，法向行为为“硬接触”；5)对回转支承内圈施加全约束，对外圈两侧面施加循环对称约束边界，滚动体释放其沿回转支承轴向的自由度，在外圈上端面施加轴向载荷；6)对滚动体和内外滚圈接触区域进行局部网格细化，网格选用六面体网格，单元类型选择C3D8R；7)在ABAQUS软件的作业模块创建回转支承分析作业，提交计算，得到滚动体和滚道接触区域的应力分布分析结果。更进一步地，步骤1)建立回转支承模型过程中，只创建单个滚动体和滚道的接触模型，并在分析时对相关截面添加循环对称边界约束。更进一步地，步骤1)建立回转支承模型过程中，仅创建回转支承整体模型的1/84进行分析，且在建模时忽略倒角棱边、油孔，螺栓安装孔类对分析影响不大的特征。更进一步地，分析单一结构因素对回转支承承载能力的影响时，控制其他结构因素的数值固定，对该结构因素设置多组数值，并分别建立常温及高温条件下，各数值对应的回转支承模型，进行仿真分析滚动体和滚道接触区域的应力分布。更进一步地，在轴向载荷为3168kN，工作环境温度为300℃的工况下，对单排四点接触球式回转支承进行单一结构因素分析；当分析滚球和滚道接触角对回转支承承载能力的影响时，控制其他结构因素的数值固定，令滚球和滚道接触角分别为30°、35°、40°、45°、50°、55°和60°；分析滚道半径和滚球半径比对回转支承承载能力的影响时，控制其他结构因素的数值固定，令滚道半径和滚球半径比分别为1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07和1.08；分析滚球半径对回转支承承载能力的影响时，控制其他结构因素的数值固定，令滚球半径分别为22.5mm、23mm、23.5mm和24mm；分析淬硬层深度对回转支承承载能力的影响时，控制其他结构因素的数值固定，令淬硬层深度分别为5mm、5.5mm、6mm；分析滚道硬度对回转支承承载能力的影响时，控制其他结构因素的数值固定，令滚道硬度HRC为55、57、59、61。更进一步地，利用正交试验分析多个结构因素共同改变对回转支承承载能力的影响时，对每个结构因素选择4个水平，分别为：滚球和滚道接触角30°、40°、50°和60°；滚道半径和滚球半径比1.02、1.04、1.06和1.08；滚球半径22.5mm、23mm、23.5mm和24mm；淬硬层深度5mm、5.5mm、6mm、6.5mm；滚道硬度55、57、59、61。本发明的一种高温环境下承载能力强的回转支承，在300℃温度环境下，回转支承接触角为60°、滚道半径与滚球半径比值为1.04、滚球半径为22.5mm、淬硬层深度为5.5mm、滚道硬度为61HRC。3.有益效果采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：(1)本发明的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，针对高温环境下回转支承接触应力大的情况，从回转支承的接触角、滚道半径与滚球半径比值、滚球半径、淬硬层深度和滚道硬度等因素考虑，分析各单一因素对其承载能力的影响，最后通过采用正交试验分析得出多个因素共同改变时回转支承承载能力最强的参数组合，从而提高了回转支承的承载能力，该方案大大地减少了工作量，更加高效、快速、经济；(2)本发明的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，利用ABAQUS有限元软件模拟高温回转支承的工况，求解出接触区域的应力分布情况，可以模拟更接近实际的工况，计算结果更加精确；(3)本发明的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，在建立回转支承模型时，只创建单个滚动体和滚道的接触模型，并在分析时对相关截面添加循环对称边界约束，同时只对回转支承整体模型的1/84进行分析，大大简化了计算，节约了时间。附图说明图1为回转支承的结构示意图；图2为某型回转支承的结构参数示意图；图3为回转支承的SolidWorks建模图；图4为回转支承1/84简化模型图；图5为载荷和边界条件设置示意图；图6为回转支承网格划分图；图7为300℃环境下某型回转支承内圈应力分析结果图；图8为300℃环境下某型回转支承外圈应力分析结果图；图9中的(a)和(b)分别为常温、高温下外圈接触应力随接触角的变化图；图10中的(a)和(b)为常温、高温下外圈接触应力随半径比的变化图；图11中的(a)和(b)为常温、高温下外圈接触应力随滚球半径的变化图；图12为各因素不同水平的试验指标值结果图；图13为结构改进后回转支承内外圈上的接触应力图。示意图中的标号说明：1、外圈；2、密封带；3、滚动体；4、加油嘴；5、内圈。具体实施方式为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。本发明的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其核心思想为：在SolidWorks软件中建立回转支承模型并导入ABAQUS软件中，利用ABAQUS有限元软件仿真分析高温回转支承在一定轴向载荷下的承载能力，分析求解回转支承在高温下的接触应力。由于高温下的回转支承接触应力较大，且经发明人长期实践总结得出，回转支承的失效形式主要是滚道受到损坏和断齿，其中滚道损坏的比例达到98％以上，滚道质量的好坏直接影响回转支承的性能。而回转支承承载能力主要与其滚道结构的刚性和滚道区域的应力分布有关，不同的滚道结构参数所对应的应力分布不一样。因此，发明人从回转支承的接触角、滚道半径与滚球半径比值、滚球半径、淬硬层深度和滚道硬度等因素考虑，又由于多因素热力耦合分析计算量太大，为了简化分析过程和节省计算时间，分析各单一因素对其承载能力的影响，最后通过采用正交试验分析法综合考虑多个因素共同改变时对回转支承承载能力的影响，得出其承载能力最强的参数组合和应满足的热处理工艺条件组合，从而提高回转支承的承载能力。本发明可以模拟更接近实际的工况，计算结果更加精确。实施例1参看图1，本实施例针对某型单排四点接触球式回转支承进行研究，其结构主要由外圈1、密封带2、滚动体3、加油嘴4和内圈5等组成。其主要结构参数如图2所示，研究工况为：轴向载荷为3168kN，工作环境温度为300℃。本实施例的具体实施步骤如下：1)根据图2提供的回转支承尺寸参数在SolidWorks软件中建立如图3所示回转支承的模型。由于回转支承是对称形状，当其承受轴向载荷时各个滚动体与滚道接触区域所受的载荷均相同，所以从简化模型和方便分析计算的角度，只创建单个滚动体和滚道的接触模型，并在分析时对相关截面添加循环对称边界约束。利用SolidWorks三维软件创建回转支承整体模型的1/84进行分析，为了节省计算时间，在建模时忽略倒角棱边、油孔，螺栓安装孔等对分析影响不大的特征。创建的1/84回转支承模型如图4所示。2)将SolidWorks软件创建好的回转支承模型导入到ABAQUS中，通过属性模块创建并定义回转支承的材料属性，并指派到相应的部件实例。3)选用静力分析步，由于滚动体和滚圈间的复杂接触关系，同时施加轴向载荷和温度场的情况，需建立两个分析步，在第一个分析步中，对回转支承施加轴向载荷，使滚动体和滚圈之间建立稳定的接触关系；在第二个分析步中施加温度场。4)如图1所示，滚动体与内、外滚圈通过四点接触形成两对接触，当其受到轴向载荷等作用时会由点接触转化为面面接触，因此在ABAQUS接触设置里选用表面与表面接触类型，且设置滚动体表面为主接触面，内、外圈滚道面为从接触面。同时设置摩擦属性切向行为为“罚”函数，设定摩擦系数为0.05，法向行为为“硬接触”。5)在轴向载荷作用在回转支承的过程中，其内圈是固定不动的，载荷施加在外圈上端面通过滚动体与滚道的接触传递至内圈，因此对回转支承内圈施加全约束，对外圈两侧面施加循环对称约束边界，滚动体释放其沿回转支承轴向的自由度。在外圈上端面施加轴向载荷，大小为Fa＝3168kN，换算到1/84模型上的压强为8.8Mpa，具体如图5所示。6)对滚动体和内外滚圈接触区域进行局部网格细化，以保证计算的准备可靠性，网格选用六面体网格，单元类型选择C3D8R，并对网格进行检查，确保没有错误和警告，划分好的网格如图6所示。7)在作业模块创建回转支承分析作业，提交计算，得到分析结果如图7、图8所示，300℃环境下其最大S，Mises应力和接触应力分别为2376MPa、4109MPa。8)由上面的分析结果可以看出，回转支承在高温环境下的接触应力很大。而影响回转支承承载能力的主要因素为其接触角、滚道半径与滚球半径比值、滚球半径、淬硬层深度和滚道硬度等，所以为了对现有回转支承进行优化改进，分别从这5个因素考虑，分析各单一因素对回转支承承载能力的影响，具体如①～⑤所述。①滚球和滚道接触角对其承载能力的影响当滚道半径和滚球半径的数值固定时，选择不同大小的滚球和滚道接触角也可能对回转支承承载性能产生影响。以该型单排四点接触球式回转支承为例，滚道半径为10.4mm，滚球半径为22.5mm保持不变，令滚球和滚道的接触角分别为30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°建立7组模型，分别进行仿真分析。得出回转支承内外圈上的接触应力如表1所示：表1不同接触角下内外圈上的接触应力由表1及图9可以看出：在常温下，接触角在45°～60°范围时，外圈接触应力比较小，因此通常在常温下接触角一般选用45°，但在高温下接触角越大，接触应力越小，而且变化比较明显，因此仅从接触角考虑，如果采用60°的接触角会明显减小接触应力的值，内外圈上的接触应力降低19％左右，降低幅度比较明显。②滚道半径和滚球半径比值大小对其承载能力的影响保持回转支承的其他参数(滚球半径、接触角为45°)不变，只改变滚道半径，让滚道半径和滚球半径比值分别为1.01、1.02……1.08，相对应的滚道半径为22.725mm、22.95mm、……24.3mm，建立8组模型进行仿真分析，分析结果如下表：表2不同半径比下内外圈上的接触应力由表2和图10可以看出常温下，当滚道半径和滚球半径的比值从1.01逐渐增大到1.08时，回转支承与滚道的距离逐渐变大，能够承受应力的滚道面积越来越小，从而导致滚道上的接触应力越来越大，比值为1.01时滚圈上的接触应力最小，但通常从加工方面、额定静容量和寿命方面考虑通常滚道半径和滚球半径比值取1.04。300℃高温下，当滚道半径和滚球半径的比值从1.01逐渐增大时，回转支承与滚道的距离虽然逐渐变大，但是变化程度比较小，导致接触应力先减小后基本保持不变。因此，在高温下，回转支承适合采用与常温下相同的滚道半径和滚球半径比值比较合理。③当滚道半径和滚球半径取1.04时，滚球半径对承载能力的影响当滚道半径和滚球半径的比值取1.04时，选用不同大小的滚球半径对回转支承承载性能产生影响。表3不同滚球半径下内外圈上的承接触应力由表3和图11可以看出，当滚道半径和滚球半径固定时，随着滚球半径的增大，无论是在常温条件还是在高温环境下，内外圈上的接触应力都会增大。增大滚球半径，对降低滚球和滚道之间的接触应力有着重要作用，但是如果为了满足更大的滚球直径而增大回转支承滚圈径向深度和轴向高度，会使回转支承整体变大。而在此处只是增大滚球与滚道的直径，并没有增加滚圈径向深度和轴向高度，因此导致接触应力反而增大，因此在该结构下采用直径为45mm滚球最为适宜。④淬硬层深度对其承载能力的影响在回转支承结构中，一定的淬硬层深度是保证回转支承滚道不产生剥落的重要因素，当外载荷作用于回转支承时，滚球与滚道的点对点接触就变成了面对面接触，接触面为椭圆形，滚道除了受到压应力外，还会受到剪切应力的作用。因此淬硬层深度对回转支承的承载能力有着重要影响，需探究滚道不同淬硬层深度对回转支承承载能力的影响。分别建立3组模型，让内外滚圈淬硬层深度分别为5、5.5、6mm，进行仿真分析，结果如表4所示：表4不同淬硬层深度下内外圈上的接触应力通过表4可以看出，随着内外圈滚道淬硬层深度的增加，滚道上的接触应力逐渐减小，但是对于承受一般负荷的回转支承，其滚道淬硬层深度可按支承滚道直径大小确定，大致规定如下：直径小于1500mm，滚道淬硬层深度为3～4mm；直径在1500～5000mm之间时，淬硬层深度为3～5mm；直径大于5000mm，淬硬层深度5～6mm。⑤滚道硬度的影响相关标准规定回转支承的最低硬度为HRC55，实际加工中淬火硬度能够达到HRC57左右，而当硬度低于HRC53时，即使留有1.2的安全系数，在使用时也已经不安全了。尤其是当硬度只有HRC50时，即使1.7倍的安全系数也非常危险。因此，硬度不够极易造成回转支承失效。下面针对HRC为55、57、59、61四个硬度值，进行仿真分析，结果见表5：表5不同滚道硬度下内外圈上的接触应力9)以上只考虑了单个因素的变化对回转支承承载能力的影响，但不确定多个因素同时改变时，回转支承的承载能力会发生什么变化。而对高温回转支承的优化改进会考虑多个因素，需要对很多组不同模型进行热力耦合分析，将花费大量的时间精力去求解计算。正交试验是一种高效，快速的多因素试验方法，能够同时对多因素、多水平进行比较，通过试验常能找出最佳的结构参数，因此采用正交试验分析法综合考虑多个因素共同改变时对回转支承承载能力的影响，以找到一组最优的结构参数值，使得在高温环境下回转支承滚道上的接触应力最小，承载能力最强。影响回转支承结构的因素：(i)滚球和滚道接触角；(ii)滚道半径和滚球半径比值；(iii)滚球半径；(iv)淬硬层深度；(v)滚道硬度。在这里考虑这五个因素。每个因素选取4个水平，如表6所示：表6影响因素及各因素水平试验指标：回转支承滚道上接触应力的大小，要求接触应力越小越好。本实施例为四水平五因素试验，从尽量减少试验工作量角度出发，选择正交表L16(45)。表7正交表L16(45)ABCDE实验111111实验212222实验313333实验414444实验522134实验621243实验724312实验823421实验933142实验1034231实验1131324实验1232413实验1344123实验1443214实验1542341实验1641432①排表头分别把滚球和滚道接触角、滚道半径和滚球半径比值、滚球半径，淬硬层深度和滚道硬度放在正交表L16(45)上方的五个纵列顶端上，如表8所示，每列上放一种，从左到右依次放入接触角A、滚道半径和滚球半径比值B及滚球半径C，淬硬层深度D和滚道硬度E，最后这五个因素相应的水平填入表格内，表中各列的数字表示这些因素的水平，完成后如表8所示：表8试验方案表所在列ABCDE因素接触角R/r比值滚球半径淬硬层深度硬度实验结果实验1301.0222.5555实验2301.04235.557实验3301.0623.5659实验4301.08246.561实验5401.0223661实验6401.0422.56.559实验7401.0624557实验8401.0823.55.555实验9501.0223.56.557实验10501.0424655实验11501.0622.55.561实验12501.0823559实验13601.02245.559实验14601.0423.5561实验15601.06236.555实验16601.0822.5657②采用直观分析法来分析试验：在ABAQUS中建立模型进行分析，得到16个外圈滚道接触应力的值填入L16(45)正交表的最右侧一列内，如表9所示。现从有限元分析得到的这16个接触应力值的结果出发，来分析试验结果。表9承载性能试验结果表所在列ABCDE因素接触角R/r比值滚球半径淬硬层深度硬度实验结果实验1111115029实验2122225231实验3133335387实验4144445423实验5212344846实验6221434532实验7234124787实验8243214838实验9313424123实验10324314098实验11331243602实验12342134167实验13414233426实验14423143212实验15432413341实验16441323579均值15267.5004356.0004185.5004298.7504326.500均值24750.7504268.2504396.2504274.2504430.000均值33997.5004279.2504390.0004477.5004378.000均值43389.5004501.7504433.5004354.7504270.750极差1878.000233.500248.000203.250159.250③试验结果的分析(i)各因素对指标的影响极差表征的是A、B、C、D、E五个因素对试验指标外圈接触应力值的影响程度。其越大，表征该因素对外圈接触应力值的影响程度也越大。第1列的极差值最大，说明因素A接触角对回转支承外圈滚道上接触应力的影响最大；因此可以由极差值大小排列顺序得出五个因素的主次顺序：主→次：A→C→B→D→E。(ii)各因素水平的选取在该试验中，要求试验指标回转支承外圈滚道上的接触应力越小越好，因此取各因素A、B、C、D、E中四个水平中最小的那个即A4，B2，C1，D2，E4。(iii)随各因素改变指标的变化规律将试验中各因素不同水平的试验指标值画在图12中。10)通过上述研究可以看出，在300℃的高温环境下，为了提高回转支承的承载能力，可以把回转支承的接触角改为60°，同时滚道与滚球半径比仍采用1.04保持不变，淬硬层深度为5.5mm，滚道硬度61HRC，此时滚动体直径为45mm。再以优化后的参数重新建模，分析回转支承在300℃高温环境下的承载情况。优化后回转支承内、外圈滚圈上的接触应力如图13所示，可以看出回转支承结构和热处理工艺条件改进后，在300℃的高温环境下，内、外圈上的接触应力明显减小，内圈上的接触应力相比改进前降低了约900MPa，大约降幅27％左右，外圈上的接触应力降低了约1000MPa，降幅24％左右。因此回转支承在工作温度300℃左右时，可以采用此结构来降低内外圈滚道上的接触应力，提高承载能力，结果见图13。以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3