公平，張靜靜，劉海波，張瑞生

（中航工業哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱　150000）

　　摘　要：闡述了保持架發生斷裂的影響因素，以某型號圓柱滾子軸承保持架為例，提出改進保持架兜孔結構設計的2種方案，并使用ANSYS對保持架結構進行應力分析對比，同時，根據結構改進設計將工藝加工后的效果做出對比，選擇合適的改進方案。

　　關鍵詞：圓柱滾子軸承；保持架；結構設計；ANSYS

　　據失效案例分析統計，保持架疲勞斷裂已逐漸成為軸承嚴重失效形式之一^[1]，特別是中大型主軸軸承。實體保持架的受力較為復雜，主要有滾子對保持架的作用力、套圈引導擋邊面對保持架的作用力以及非引導擋邊面的阻力等。

　　由保持架和滾動體運動的不穩定性造成的高周疲勞使保持架發生斷裂，其一般都發生在兜孔過梁位置。在軸承運轉過程中，當滾動體的公轉速度與保持架的轉速不一致時，滾動體與保持架將發生碰撞^[3]。而這種動態運動是無法避免的，因此，應Z大程度上保證保持架的強度，特別是對于容易發生應力集中的兜孔過梁拐角處的設計，對于延緩保持架的破壞時間，延長軸承壽命將至關重要。

　　1　軸承保持架結構設計改進

　　某型圓柱滾子軸承保持架的幾何尺寸見表1，40CrNiMoA材料特性見表2。結構改進前兜孔過梁過渡處采用小圓角設計，過渡圓角半徑Z大為0．2mm。為減小應力集中，設計了2種改進結構，一是將圓角半徑增大到0．8mm，二是將兜孔結構更改為帶有越程槽的結構。改進前、后的結構如圖1所示（圖中單位均為mm，Z大是指加工允許的Z大值）。

　　2　有限元分析

　　2.1建模

　　根據保持架的結構參數，先后建立保持架兜孔結構改進前、后的單個兜孔的三維模型，如圖2所示。

　　2.2網格劃分

　　將上述模型導入ANSYS中，采用SOLID186單元對上述實體進行網格劃分，對過梁連接處的圓角或越程槽結構進行細化，分別如圖3和圖4所示。

　　2.3施加約束與載荷

　　滾子采用部分凸度的修形方式，為模擬圓柱滾子對保持架的沖擊力，對保持架兜孔過梁處一組節點構成的接觸線施加線載荷，接觸線長度與滾子設計時有效長度相等，為7.8mm，此分析旨在研究同樣載荷條件下的過梁連接處結構應力，因此，取法向載荷1170N，約束上下端面，如圖5所示。

　　2.4結果分析

　　結構改進前、后的保持架兜孔應力云圖如圖6～圖8所示，由圖可知，在同一約束和載荷條件下，應力Z大值均在保持架的過梁拐角處。雖然3種結構過梁處的應力值均小于材料的屈服極限815MPa，但具有差異性，其不同結構下保持架過梁處Z大接觸應力見表3。改進后的兩方案均較大幅度地減小了兜孔過梁處的Z大應力。

　　3　加工方式與效果對比

　　保持架兜孔過梁拐角處若采用圓角過渡，傳統加工方式采用拉床拉削；若更改為越程槽結構，則可采用加工中心進行鉆銑加工，越程槽部分采用鉆頭鉆削，兜孔工作表面采用銑刀加工。

　　經測試表明，方案2加工質量穩定性高于方案1，且可以明顯提高保持架兜孔加工精度和表面質量，其具體測試數值見表4，又由于方案2結構更便于儲油和潤滑，故確定其為Z終改進結構。

　　4　結束語

　　1）保持架薄弱環節主要在兜孔過梁處，其設計是不可忽略的環節，因此在保持架結構設計時，既要保證兜孔過梁轉角不與滾子發生干涉，又要使過渡結構的設計能夠Z大程度的減緩應力集中，有利于潤滑。

　　2）從越程槽結構兜孔與增大圓角過渡結構兜孔的對比分析可以看出，2種結構均可大幅度減緩應力集中，效果相似，但鉆銑方式加工的精度明顯高于拉削加工。

　　3）選用越程槽結構不但可以大幅度減少應力集中且易于保證加工精度，適用于圓柱滾子軸承保持架兜孔結構的改進設計。

　　參考文獻：

　　[1]興長喜，孫民.航空發動機主軸軸承保持架疲勞斷裂機理[J].航空發動機，2002（2）：32-34.

　　[2]楊咸啟，劉文秀，李曉玲，等.高速滾子軸承保持架動力學分析[J].軸承，2002（7）：1-5.

　　[3]劉文秀，楊咸啟，陳貴.高速滾子軸承保持架碰撞模型與運動分析[J].軸承，2003（9）：1-5.

 來源：《軸承》2015年11期