基于显示动力学的滚动轴承故障分析

weixin

滚动轴承是重要的基础支撑回转零部件之一，应用范围十分广泛，包括机床、航空航天、车辆、船舶、机床等。轴承的工作状态对机构的性能及安全具有显著影响，尤其在加工制造等领域，轴承的故障关系到机床设备及操作人员安全问题， 因此，对出现轴承故障的分析研究尤其重要。滚动轴承主要由内圈、外圈、滚动体及保持架组成，滚动体使得接触界面由滑动摩擦变为滚动摩擦，作为轴承运转的核心部件，滚动体的失效是造成轴承运转失效的主要原因之一。

实践表明，轴承的失效常表现为滚动体破裂、滚动体剥落、轴承麻点等缺陷，对于轴承故障通过实验和算法进行分析的方法已经屡见不鲜，但是通过有限元分析的方法进行分析的却较少。基于此，本文以6202型深沟球轴承为例，基于ANSYS/LS-DYNA的显示动力学分析方法，对具有上述故障的深沟球轴承的应力、接触力等进行仿真，并与无故障的深沟球轴承接触特性进行对比分析，为后续轴承故障诊断及失效预防提供借鉴和参考。

点接触理论

深沟球轴承点接触状态下接触区域长半轴

接触区域短半轴

接触应力

式中，ξ 为曲率半径，1/mm；Q 为轴承总载荷，N。

仿真模型  

1. 单元选择及网格划分

在ANSYS中建立三维实体仿真模型时，选用具有平动自由度的SOLID164单元及具有转动自由度的SHELL163单元，内外圈及滚动体选用GCr15轴承钢，杨氏弹性模量E=2.06GPa，泊松比μ=0.3，保持架选用冷轧钢板， 杨氏弹性模量E=1.96 GPa，泊松比μ=0.24，采用映射网格划分、扫掠网格划分、自由网格划分3种方法对轴承模型进行有限元网格划分，如图1所示，共计42167个节点，46345个单元。

图1 有限元网格模型

2. 接触及约束条件

滚动轴承在运转过程中存在滚动体与内圈、外圈、保持架共3组接触对，分别定义其动摩擦系数为0.1、0.1、0.002， 静摩擦系数分别为0.05、0.05、0.001。轴承内外圈及保持架选用刚性材料以减少计算量，滚动体选用各项同性线性弹性材料，各元件约束条件如表1所示。

表1 轴承元件约束

3. 载荷施加及求解

轴承内圈受到大小为1kN 作用力，且作用方向为Y向的径向载荷，同时施加大小为210rad/s、绕Z 轴转动的转动载荷复合作用，为避免同时施加载荷引起转动不平稳，在施加径向载荷0.005s 后再施加转动载荷。设计求解时间0.05s，控制接触界面因子0.1，并控制整体沙漏系数为0.1，基于ANSYS/LSDYNA进行分析求解。

无故障轴承仿真结果分析

为分析轴承运转过程中滚动体的应力变化情况，基于ANSYS后处理软件LSPREPOST 提取轴承滚动体在0.02s（稳定状态）时刻的等效应力分布云图如图2所示。由图2可知，滚动体运转稳定后，应力主要分布于滚动体与内外圈接触的区域，且接触区域类似一长形椭圆，此时最大应力发生在轴承与内圈接触的长形椭圆中心，最大应力单元为H43793，其最大应力值为2.459GPa，计算得到的基于赫兹接触理论的理论解为2.19GPa，由于轴承实际运转中的振动以及滚动体残余应力等因素影响，仿真值轻微大于理论值，结果相差较小，说明了仿真结果的可靠性。

图2 滚动体应力云图

为分析最大应力单元的应力、应变随时间的变化规律，提取该单元应力时间历程曲线如图3所示。由图3可知，由于滚动体与内外圈交替接触，应力、应变以波峰波谷形式交替出现，第1、第2、第3个波峰分别代表滚动体上单元与内圈、外圈、内圈接触，以此类推，且由于滚动体接触后残余应力影响，滚动体每次接触时的应力、应变大小会产生轻微变化。

图3 应力时间历程曲线

故障轴承仿真结果分析

1. 滚动体破裂故障

选取滚动体运转过程中的滚动体破裂作为分析对象，为简化分析，采取滚动体破裂故障的极端形式，即滚动体缺失，对缺少1个滚动体的深沟球轴承进行仿真。如图4所示为缺失滚动体模型，提取滚动体的等效应力云图如图5所示。

图4 缺失滚动体模型

由图5可知，缺少1个滚动体后轴承滚动体的接触应力分布特性与正常情况时基本相同，然而缺少1个滚动体后，应力值明显增大，相比正常情况时的滚动体应力值增大比例为9.98%。

图5 缺少1个滚动体等效应力云图

2. 滚动体剥落故障

实际情况中，滚动体出现剥落的位置、形状十分复杂，处于内外圈接触线上的滚动体应力变化最大，最有可能发生剥落，因此，提取滚动体0.02s时刻的等效应力云图如图6所示。由图6可知，滚动体产生剥落故障后轴承滚动体的接触应力分布特性与正常情况时基本相同，然而由于应力集中的影响，应力值急剧增大，相比正常情况时滚动体的应力值增大了137.78%， 已超过了滚动体的应力承受极限，造成轴承失效。

图6 滚动体剥落后等效应力云图

    结语    

滚动体应力主要分布于滚动体与内外圈接触的区域，且接触区域类似一长形椭圆，最大应力发生在长形椭圆中心，且应力、应变，以波峰、波谷形式交替出现。

滚动体破裂对于应力分布区域影响较小，对应力值影响较大，随着滚动体缺失个数增加，滚动体应力值急剧增大；滚动体剥落对于滚动体应力分布区域、应力值影响显著，应力值显著大于正常情况下的应力值。

正常情况下的滚动体与内圈、外圈接触力较大，其大小在径向载荷上下波动，与保持架接触力较小，缺失滚动体及滚动体剥落故障对于接触力影响较小。

来源：正脉科工 CAE微信公众号（ID：caejslm），作者：陈培红。