一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，属于回转支承设计领域。本发明专利技术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。本发明专利技术可以模拟更接近实际的工况，计算结果更加精确，且大大地减少了工作量，更加高效、快速、经济。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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，专利技术创造名称为：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。
技术实现思路
1.专利技术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，本专利技术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；本专利技术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，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术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。本专利技术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.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与已有的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1或2所述的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其特征在于：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。5.根据权利要求4所述的一种提高回转支承高温环境下承载能力的方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晔，于富冬，叶海舰，
申请(专利权)人：合肥工业大学马鞍山高新技术研究院，合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34