基于ADAMS 的球轴承保持架动力学仿真

吉博文，景敏卿，刘恒，王风涛

(西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

作为旋转机械中常用的滚动轴承，其工作性能直接影响机械设备的工作精度和使用寿命。当滚动轴承在高速、高温等恶劣条件下工作时，产生动态不稳定，使得轴承内部零件之间发生摩擦磨损和剧烈碰撞，导致轴承过早失效，尤其是保持架的损坏，从而导致设备无法正常工作。为了提高轴承的运转性能，需要进行动态性能分析，进而指导滚动轴承的设计，获得适应复杂工况的滚动轴承。

进行滚动轴承动态性能分析，就必须研究滚动轴承的动力学性能。经过国内外学者长期努力，滚动轴承动力学的发展取得一定成绩，并经历了拟静力学、拟动力学和动力学阶段。拟静力学［1，2］不考虑滚动轴承的运动，只是在平衡状态下，采用Hertz 弹性接触理论分析轴承零件之间的接触变形，力学关系简单，无法实际反映轴承动力学过程;拟动力学［3］以滚道控制理论和拟静力学方法为基础，考虑钢球受力和力矩不平衡时产生的惯性力和惯性力矩及弹性流体动力学润滑作用，但分析过程中要约束轴承各零件的部分自由度，只能对某一时刻平衡方程进行非线性数值求解，而不能随时间进行求解;动力学［4，5］考虑了各部件的各个自由度，采用微分数值求解方法对微分方程进行求解，分析了轴承在任意时刻滚子与滚道和滚子与保持架之间的位移、转速及轴承内部滑动，影响参数随时间变化的特性等。保持架的动态分析就是建立在滚动轴承动力学分析的基础上，并且也提出了一些保持架动态分析模型，但由于保持架的实际运动较为复杂，目前建立的模型假设较多，无法具实反映保持架的振动特性。作为目前常用的动力学分析软件ADAMS，经过大量的实际运用证明了它的可靠，并且已经在滚动轴承动力学分析中得到应用［6］。

在此，将三维建模软件Pro/E 和多体动力学分析软件ADAMS 相结合建立了深沟球轴承的三维仿真模型，以ADAMS 的建模方法为基础，结合软件自身携带的Hertz 函数，对保持架振动特性进行分析，以期对轴承的工况和结构设计参数、对保持架稳定性的影响进行探究，得出相关结论，防止滚动轴承过早失效。

1 系统模型的建立

1.1 模型基本假设

本文所建立的模型比较复杂，需要进行一些假设［7］:

1)假设各零件为刚体，忽略柔性变形，若接触，变形为弹性变形;

2)轴承各零件的形心与质心重合;保持架兜孔的形状为圆柱形;

3)轴承内部温度已知。

1.2 参数确定及模型建立

选用深沟球轴承6206 进行分析，该轴承主要用以承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的功能，可承受较大的轴向载荷。与尺寸相同的其他类轴承比较，此类轴承摩擦因数小，极限转速高。其几何参数见表1。

表1 深沟球轴承6206 的几何参数

一般情况下，在利用Pro/E 进行滚动轴承的三维造型时，可以先创建单个零件模型，然后再组装成滚动轴承的装配体，如图1 所示。

图1 球轴承三维模型

建好的Pro/E 三维模型通过与ADAMS 接口导入ADAMS 中［8］，如表2 进行材料参数设置，同时按表3 进行接触参数设置，建立如图2 所示的分析模型进行分析，且坐标系随着模型建立。

表2 深沟球轴承6206 的材料参数

表3 ADAMS 接触参数设置

图2 球轴承的ADAMS 分析模型

2 仿真结果分析

2.1 不同转速

对于12 个钢球，径向载荷2 500 N，径向游隙0.02 mm的深沟球轴承，不同转速时保持架质心轨迹如图3，转速较低时，保持架质心运动范围比较小，轨迹形状没有呈现出稳定的趋势。随着转速的提高，到达10 000 r/min 时，保持架渐渐趋于稳定状态，质心轨迹有呈现近似圆形的趋势，当到达13 000 r/min 时，近似的圆形轨迹已经比较明显，轨迹已经基本稳定了下来。对于13 000 r/min 时轨迹图中偏离比较的轨迹线，主要是由于轴承一开始转动时打滑造成的，运转一段距离后即进入较稳定状态。

图3 不同转速时保持架质心轨迹

2.2 不同径向载荷

对于12 个钢球，内圈转速10 000 r/min，径向游隙0.02 mm的深沟球轴承，不同径向载荷时保持架质心轨迹如图4，随着径向载荷的提高，保持架质心轨迹由紊乱向近似圆形收拢，稳定性逐步升高，但是随着载荷进一步加大，轨迹又开始向紊乱的方向发展，波动开始增大。这与深沟球轴承承受载荷性质有关，和圆柱滚子轴承相比，深沟球轴承承载径向载荷的能力较差，所以径向载荷偏大后就会加剧振动和紊乱。

图4 不同径向载荷时保持架质心轨迹

2.3 不同径向游隙

对于12 个钢球，内圈转速10 000 r/min，径向载荷2 500 N的深沟球轴承，不同径向游隙时保持架质心轨迹如图5，随着径向游隙的增大，质心轨迹开始慢慢向中心收拢靠近，并呈现近似的圆形，说明保持架运动越来越趋向于稳定。这是因为当径向游隙较小时，球的可偏置空间较大，球和保持架相互碰撞作用较强，同时增加了保持架和引导套圈之间的碰撞作用，产生相应大的摩擦力，这种作用是非对称的，破环了保持架的涡动轨迹，也使涡动速度变化增大，不稳定性较高。而径向游隙增加后，运动相对较为规则，碰撞和摩擦减少，保证了保持架的运动稳定性。

图5 不同径向游隙时保持架质心轨迹

2.4 不同钢球个数

对于内圈转速为9 000 r/min，径向载荷为2 000 N，径向游隙为0.02 mm 的深沟球轴承，不同钢球个数时保持架质心轨迹如图6，6 个钢球的保持架质心在较大范围内无规则地窜动，轨迹看起来比较紊乱，但是9 个钢球的质心轨迹已有明显的向中心收拢的趋势，到了12 个钢球，质心轨迹趋于小范围紧密环形区域内，呈现近似圆形，保持架稳定性相对较高。说明钢球个数越多，运转过程中涡动越小，越平稳，质心轨迹越容易达到稳定。这是因为钢球个数较少时，单个钢球的承载力大，与保持架碰撞力大，变化也较大，伴随的摩擦力相对较大，从而促使质心运动不很稳定;当个数增加后，单个钢球相对承载力减小，碰撞力减小而且较为均匀，摩擦力也减小了，质心运动稳定性提高。

图6 不同钢球个数时保持架质心轨迹

3 结论

应用ADAMS 仿真平台对高速深沟球轴承6206 进行动力学分析，获得了在不同转速、不同载荷以及不同径向游隙、不同滚动体个数的情况下保持架的瞬时响应特性，得到的主要结论如下:

1)随着转速的增加，保持架质心轨迹向中心集中收拢，渐渐到达稳定状态。

2)随着径向载荷的提高，保持架质心轨迹由紊乱向近似圆形收拢，稳定性逐步升高，当载荷增加到3 000 N时，轨迹又开始向紊乱的方向发展，波动开始增大。

3)随着径向游隙增大，质心轨迹开始慢慢向中心收拢靠近，并呈现近似的圆形，保持架运动越来越趋向于稳定。

4)随着钢球个数增加，质心轨迹逐渐向中心收拢并呈现圆形，说明钢球个数越多，运转过程中涡动越小，越平稳，质心轨迹越容易达到稳定。

［1］Jones A B.Ball motion and sliding friction in ball bearings［J］.Journal of Basic Engineering，1959，81:1-12.

［2］Jones A B.A general theory of elastically constrained ball and radial roller bearings under arbitrary load and speed conditions［J］.ASME Journal of Basic Engineering 82(1960):309-320.

［3］Harris T A，Mindel M H.Rolling element bearing dynamics［J］Wear，1973，23(3):311-337.

［4］Gupta P K.Transient Ball Motion and Skid in Ball Bearings［J］.Journal of Lubrication Technology，1975(4):261-268.

［5］Meeks C R.The dynamics of ball separators in ball bearingspart1:analysis［J］.ASLETrans.，1985，28(3):288-295.

［6］张风琴，李兵建，等.ADAMS 二次开发技术在滚动轴承动力学分析中的应用［J］.轴承，2011(5):52-54.

［7］邓四二，贾群义.滚动轴承设计原理［M］.北京:中国标准出版社，2008:220-233.

［8］吴化勇，徐秀花.基于ADAMS 的球轴承受力分析［J］.轴承，2009(2):1-4.

［9］高春良，王成栋，苗强.滚动轴承动力学仿真与分析［J］.机械设计与制造，2011(02):193-195.