基于UG软件的深沟球轴承仿真振动分析

何申伟，汪 海

（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074）

基于UG软件的深沟球轴承仿真振动分析

何申伟，汪 海

（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074）

基于UG软件对深沟球轴承模态进行仿真分析并建模，然后对深沟球轴承进行装配下的静态和响应模态下的模态分析，最后通过比较响应状态下的最大频率和自然状态下的频率，判断出深沟球轴承的固有频率和最大工作振幅。

深沟球轴承；模态分析；固有频率；响应频率；工作振幅

1 前言

滚动轴承作为一种重要的机械基础部件，以摩擦阻力小、功率消耗小、机械效率高、易起动、适用于大批量生产、质量稳定可靠、生产效率高等优点发挥着重要的作用。现代工业机械都大量地装配了滚动轴承。一般说来，滚动轴承是机器中最精密的部件。但是，由于各种原因，只有10%到20%的轴承能达到它们的设计寿命，轴承的失效直接影响着整个机械系统的性能。轴承的失效的原因之一是受到的外界的频率和轴承的各组成部分的固有的频率相近或者相同，从而导致轴承各结构组成部件发生剧烈的振动，使轴承各部件受到损伤。本文采集轴承振动特征信号，通过UG软件仿真的方法分析滚动轴承的固有频率，对深沟球轴承做了模态分析，了解轴承的固有频率和振型。这些工作都是用来监测滚动轴承的状态，早期发现轴承故障，监测跟踪其发展趋势，并知道何时需更换轴承，以维护机械系统的良好运行。

2 基于UG的轴承建模

轴承作为标准件，都有相应的既定尺寸标准。本文以深沟球轴承6203为研究对象进行建模，根据标准件的设定尺寸可以知道：轴承内径d=17mm，外径D=40mm，宽度b=12mm，滚球的大小为6.75mm，轴承节径为28.5mm，滚球个数n=8，由此条件可以进行轴承的建模。首先进行轴承内圈的建模，设定其名字为bearing-inner，在进行内圈建模时，由于没有给出内圈的厚度，在本次建模中赋予其厚度为3mm，然后再进行保持架的建模，设定名字为bearing-support。再构建为ball的钢球，在装配后的图层上，装配出外圈，最后结果如图 1 所示。

3 轴承的仿真

3.1 轴承的模态分析

利用UG自带的NX NAXTRAN算法，对建模好的轴承模型进行仿真分析。因为轴承是个装配件，内圈、外圈、保持架和钢球为不同的材质，在进行模态分析时应赋予不同的材质属性。内圈、外圈和钢球，一面反复承受高接触压力，一面进行伴随有滑动的滚动接触，因此要求其材料具有滚动疲劳强度大、硬度高、耐摩擦性高等特点。根据这些特征，本文取外圈、内圈和钢球的材质为GCr15（属于高碳铬轴承钢，这种型号的钢具有高的接触疲劳强度和耐磨性能），其杨氏模量为2.19E+11 ，密度为7.83E+03 ，泊松比为0.300。保持架为了经济选用低碳钢：08F，其杨氏模量为2.19E+11 ，密度为7.83E+03 ，泊松比为0.267。计算方案类型选成SENODES 103，工况控制选项中特征值方法选成Lanczos法，通常，模态的振型阶次越高，该模态频率下的变形就越小，因此在利用UG 自带的有限元分析软件NX Nastran 对该轴承系统进行模态分析时，不需要取特别高的振型阶次，在Lanczos数据的创建建模对象选项中选择其频率范围在0~10 000Hz，选择模态数为10（默认）。在仿真过程中应注意因为模型是装配件，因此在进行网格划分时，选择自动选择单元格大小，对各个模型分别划分（在进行单元格划分时，忽略掉了边缘的毛刺，并且没有进行细化），然后进行轴承的固定。在轴承运行的时候，外圈处于过盈配合状态，因此x、y、z的自由度都会被约束，在确定约束时选择圆柱形约束，约束外圈的外面，最后进行结算，可以得到轴承前8阶的应力云图（如图 2~9），进行网格划分后轴承外圈和钢球，钢球和保持架，钢球和内圈都会形成相互连接的整体，但是在轴承的运行中各个模型不是一个整体，且相对各自有一定约束的进行转动，因此把轴承单独设成相对独立的组件，进行网格划分后单独选择接触的部分进行耦合处理。并且设定动摩擦系数为0.3，静摩擦系数为0.15。

图1 轴承的装配图

由图 2~9和表1可知，在静态的模态分析下，主要的变形位置在钢球上，作用的节点处相近，可以判断为同一个钢球，这里我们暂设这个钢球为钢球 1。且最大的幅值不大于0.001mm，可见主要的变形位置主要集中在钢球上面。

图2 一阶模态振型

图3 二阶模态振型

图4 三阶模态振型

图5 四阶模态振型

图6 五阶模态振型

图7 六阶模态振型

图8 七阶模态振型

图9 八阶模态振型

表1 轴承在静态下的频率模态

同时分别对外圈、内圈、钢球和保持架进行各阶频率模态分析，根据模型的最大幅值变化量以及对应的频率，判断出各个模型的固有频率（如图 10~13所示），图14为轴承传动示意图。

图10 内圈的各阶模态

图11 钢球的各阶模态

图12 外圈的各阶模态

图13 保持架的各阶模态

3.2 轴承的响应分析

在模型中电动机作为动力源，经过轴的传递（忽略掉轴的制造和安装误差所带来的影响）动力源的转矩直接作用在轴承内圈上，由此可知电动机的功率为 2 马力（149.1W），设轴承内圈的转矩为T其中n=1 750r/min， P=149.1W，可以求得轴承内圈的转矩T=813.66N. mm。再利用UG的模态仿真计算，选择SENODES 103—响应分析的计算类型，其他的步骤与在静态下的轴承分析相近，对外圈进行全约束，将转矩T施加在轴承内圈上，在UG运算后可以得到如表 2 的计算结果。

图14 轴承传动示意图

表2 响应模态下的受力分析

由表 2 可以看出在频率0~10 000Hz的范围内扫描得到的最大受力情况，其主要的受力点在外圈并且最大受力的位置相近。

4 轴承的计算

通过UG软件的模态运行可以得出各模型的固有频率段，由于UG中没有自带提取的坐标图的功能，因此在EXCEL中画出关于外圈：将自动生成的各频率作为横轴坐标，各节点位移的变化量作为纵坐标，从而可以得到内圈、钢球和保持架的各阶频率和各节点位移的变化量的图，在计算的过程中，可以运用一些铺助软件生成更多点的关于频率和幅值的关系图，但是考虑到简化计算，从而只将10个模态的数据进行了关系的量化，再从图中看出各模型的相对的固有频率值。

从图15~18可以看出，各模态的振动都集中在很小的范围频率中，在这个范围内选取最大的振幅，其相对应的频率就可以大约的得出各模型相对性固有频率，从以上的图可以得到保持架、钢球、内圈和外圈的固有频率分别为2.330E+005Hz、1.125E+005Hz、1.191E+005Hz和2.625E+005Hz。

5 结论

图15 保持架的各阶的模态分析

图16 滚珠体的各阶的模态分析

图17 内圈的各阶的模态分析

图18 外圈的各阶的模态分析

本文通过用UG软件对深沟球轴承做静态的模态仿真分析，可以得出以下结论：

（1）轴承的整体装配后的固有频率集中在低阶阶段，而单个模型的固有频率集中在高频阶段。在轴承的受力响应阶段，轴承的主要作用频率是在很低的频率段进行的，不会和各轴承的模型进行共振，从而避免了在工作阶段的各模型因为共振引发的零件的损坏。

（2）随着频率的变化，轴承的振型也随着变化，当达到它的固有频率时，振型达到最大。

由于实验条件的匮乏，本文并没有对深沟球轴承的实际损伤频率作相应的分析，只做了理论上的分析，缺乏实践的检验，希望以后有条件能够进行实际的操作分析。

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（编辑：钟 媛）

表2 6312在高速振动仪不同转速时的测量值/dB

通过该高速振动检测仪的使用，使我公司成功出产了6312/C3Z2、6313/Z2等近20种规格高速电机轴承，为国内、国外知名电机公司进行了供货。通过对产品使用情况的回访证明，这些产品均能满足用户的使用需求，得到用户的一致好评，拓展了市场订单。

（编辑：林小江）

Simulation vibration analysis of deep groove ball bearing based on UG software

He Shenwei, Wang Hai
( Electrical and Vehicle Institute of Chongqing Jiaotong Univerisity, Chongqing, 400074, China)

Making modal analysis and simulation modeling of deep groove ball bearings based on UG software, then making the modal analysis of the static and the modal response under assemble of the deep groove ball bearings , finally by comparing the maximum frequency under response condition and natural frequency to determine the natural frequencies and the maximum work amplitude of the deep groove ball bearing.

deep groove ball bearing; modal analysis;natural frequencies, response frequency, work amplitude

TH133.33+1

B

1672-4852（2016）04-0042-04

2016-08-08.

何申伟（1989-），男，硕士研究生.