轴承,特别是滚动轴承,是一些最常用的工业部件。与流体动力轴承相比,这些轴承具有低摩擦和低启动扭矩,因此可以在齿轮箱、输送机、电机和轧机中找到。它们还可以处理速度、温度和负载的变化。在文章中,我们将研究不同的轴承类型,并演示如何使用COMSOL Multiphysics软件对滚柱轴承上支持的转子系统进行建模。
什么是滚动轴承?
滚动元件轴承通常由四部分组成:
1.内圈
2.外环
3.滚动元件
4.保持架
内圈连接到轴上,外圈连接到轴承座上。多个滚动元件插入内座圈和外座圈之间,这使得它们能够在元件的滚动运动的帮助下相对于彼此滑动。保持架保持滚动元件彼此分离。
带有偏心轴的典型滚动轴承的前视图。
滚动元件轴承有助于支撑负载,同时允许内圈相对于外圈的受限运动。COMSOL Multiphysics提供以下轴承类型的轴承型号:
* 深沟球
* 角接触球
* 自动调心球
* 圆筒形滚柱
* 球形滚子
* 圆锥滚子
深沟球轴承、角接触球轴承、自动调心球轴承和球面滚子轴承中的滚子和座圈之间存在点接触。然而,在圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承中,存在线接触。通常,线接触轴承比点接触轴承具有更大的承载能力。为了增加轴承的承载能力,有时使用多排滚动元件而不是一排。
轴承几何形状在决定其应用范围方面起着重要作用。例如,深沟球轴承和圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷,而角接触球轴承和圆锥滚子轴承可以承受相当大的轴向载荷。自动调心滚珠轴承是另一个特殊的例子,其中轴可以在轴承内倾斜,从而使它们适合安装错位的情况。不同轴承类型的常见应用领域如下所示:
不同类型轴承的应用领域。
COMSOL Multiphysics中的滚子轴承是基于赫兹接触理论的滚子与滚道接触的抽象模型。因此,您需要输入几何参数来说明轴承的特定特性。下图显示了带有两排滚子的不同类型轴承的几何参数。
深沟球轴承(左)、角接触球轴承(中)和自动调心球轴承(右)示意图。
圆柱滚子轴承(左)、球形滚子轴承(中)和锥形滚子轴承(右)的草图。
除几何参数外,滚子和滚道的材料参数对轴承特性也有重要影响。非线性赫兹接触定律用于确定滚子的变形和从内圈到外圈的传递力矢量。
滚子和滚道之间的间隙是一个非常重要的参数,它对转子振动有很大的影响。较小的间隙可减少高频振动,但增加操作轴承所需的扭矩。然而,非常大的间隙会在转子中激发高频振动,而作用在轴承基础上的力和力矩很大,这是最好避免的。
用滚柱轴承模拟转子系统
让我们通过考虑连铸机中鼓风机的转子组件来看看滚子轴承间隙对转子振动的影响。连铸是将熔融金属凝固成小方坯的过程。铸造机中的鼓风机加速熔融金属流的冷却,熔融金属流通过在模具上吹送冷空气而进入模具。
转子组件示意图。
鼓风机组件由连接到轴上的驱动电机组成,轴连接到鼓风机风扇上。轴由放置在电机和鼓风机之间的两个滚柱轴承支撑。因此,鼓风机风扇悬挂在轴承支架上。
转子的轴向旋转以及由于悬臂重量引起的轴弯曲会引起转子的旋转运动。此外,由于滚子和座圈之间的接触,转子中会产生高频振动。针对不同的轴承间隙,进行时间相关分析以捕捉轴中的振动。
轴是使用梁转子COMSOL Multiphysics中的接口,它使用基于Timoshenko理论的波束单元。电机端的轴被认为是固定的,并使用经向轴承功能,风扇使用唱片使用质量和惯性矩的特征。
A向心滚子轴承特征用于对轴承建模,这需要轴承部件的几何和材料特性。转子以2000转/分的速度旋转,整个系统承受重力载荷。通过考虑三种不同的间隙值,分析了滚子轴承间隙对轴振动的影响:C= 1e-5 m、1e-4 m和1e-3 m
转子系统建模的物理特征。
分析仿真结果
以1e-3秒的时间步长进行1秒钟的模拟。下图显示了不同间隙下风扇端轴的轨道:
不同轴承间隙下风扇端轴的轨道(中心偏移C= 1e-4 m和C= 0.001米)。
从轨道上看,很明显,对于较小的间隙,垂直运动小于对于较大的间隙。然而,小轴承间隙时轴的水平运动大于大轴承间隙时的水平运动。因此,在较小的间隙下,座圈和滚子之间的接触始终保持不变。当间隙增大时,接触会变得间歇性,导致滚道和滚子之间的碰撞。下图所示不同间隙处的轴承力证实了这一行为。
轴承2(靠近风扇)的垂直反作用力向上,支撑风扇的悬垂重量。然而,轴承1的垂直反作用力始终向下,因为悬臂重量导致轴弯曲。同样清楚的是,轴承的水平反作用力在大间隙时非常间歇,表明滚子和座圈在水平方向上很少接触。
轴承1的水平反作用力(左)和轴承1的垂直反作用力(右)。
轴承2的水平反作用力(左)和轴承2的垂直反作用力(右)。
间歇力可能会在转子中引起高频振动。靠近电机的轴承中轴水平运动的频谱显示,在大间隙时存在高频振动。随着间隙减小,高频振动不太明显。
轴承1处轴水平运动的频谱。
在转子运行期间,由于磨损,轴承间隙可能会在一段时间内增加。因此,转子的振动响应也将具有高频成分。如果测得的转子响应有一些高频成分,这可能是轴承磨损的迹象,应该更换。