轴承，特别是滚动轴承，是一些最常用的工业部件。与液压轴承相比，这些轴承具有低摩擦和低启动扭矩，因此可以用在变速箱、输送带、电机和轧机中。它们还可以处理速度、温度和负载的变化。在这篇博文中，我们将研究不同类型的轴承，并演示如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件对由滚子轴承支撑的转子系统进行建模。
什么是滚动轴承?
滚动轴承通常由四部分组成:
- 内圈
- 外圈
- 滚动体
- 保持架
内圈与轴相连，外圈与轴承座相连。多个滚动体被嵌入内圈和外圈之间，使它们能够在滚动体运动的帮助下相互滑动。保持架使滚动体彼此保持分离。
带偏心轴的典型滚动轴承的前视图。
滚动轴承可以帮助支持载荷，同时允许内圈相对于外圈的有约束的运动。COMSOL Multiphysics 提供以下轴承类型的轴承模型:
- 深沟球
- 角接触球
- 调心球
- 圆柱滚子
- 球面滚子
- 圆锥滚子
在深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承和球面滚子轴承中，滚子和滚道之间为点接触。然而，在圆柱和圆锥滚子轴承中是线接触。一般来说，线接触轴承比点接触轴承有更大的承载能力。为了增加轴承的承载能力，有时使用多排滚动体代替单排。
轴承的几何形状对其应用范围起着重要的作用。例如，深沟球和圆柱滚子轴承不能支持轴向载荷，而角接触球轴承和圆锥滚子轴承可以承受显著的轴向载荷。自调心球轴承是另一个特殊的例子，其中轴可以在轴承内倾斜，因此适用于未对准安装的情况。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（Hertz contact theory）的滚子与滚道接触的抽象模型。因此，需要输入几何参数来考虑轴承的具体特性。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)和调心球轴承(右)示意图。
圆柱滚子轴承(左)、球面滚子轴承(中)和圆锥滚子轴承(右)示意图。
除了几何参数外，滚子和滚道的材料参数对轴承特性也起着重要影响。非线性赫兹接触定律用来确定滚子的变形和由内圈向外圈传递的力矢量。
滚子与滚道之间的间隙是影响转子振动的重要参数。较小的间隙会减少高频振动，但会增加操作轴承所需的扭矩。然而，非常大的间隙会激发转子中的高频振动，并在轴承基础上产生很大的力和力矩，所以最好避免这种情况。
使用滚子轴承模拟转子系统
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钢坯的过程。铸造机中的鼓风机通过向模具吹冷空气来加速进入模具的熔融金属流的冷却。
转子装配示意图。
鼓风机组件由连接到轴的驱动电机组成，通过轴连接到鼓风机。轴由位于电机和鼓风机之间的两个滚子轴承支撑。因此，鼓风机悬垂在轴承支架上。
转子的轴向旋转以及由于悬臂重量引起的轴弯曲会导致转子的旋转运动。此外，由于滚子和滚道之间的接触，会在转子中引起高频振动。执行瞬态分析以捕获轴中不同轴承间隙时的这种振动。
使用 COMSOL Multiphysics 中的 梁转子 接口对轴建模，该接口使用基于 Timoshenko 理论的梁单元。电机端的轴被认为是固定的，并使用轴颈轴承 特征对其进行建模，使用 圆盘 特征对风扇进行建模，使用其质量和惯性矩。
径向滚子轴承的 特征用于模拟轴承，这就需要轴承组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来分析滚子轴承间隙对轴振动的影响：C= 1e-5m、1e-4m 和 1e-3m。
用于模拟转子系统的物理场特性。
仿真结果分析
以 1e-3 秒的时间步长执行 1 秒模拟。风扇端轴在不同间隙下的运行轨迹如下图所示：
不同轴承间隙(中心移位为 C=1e-4m 和 C=0.001m)下风扇端轴的轨道
从轨道上可以清楚地看出，对于较小的间隙，垂直运动小于较大间隙的垂直运动。但是，小轴承间隙轴的水平运动比大轴承间隙的大。因此，在较小的间隙下，滚道和滚子之间的接触始终保持不变。当间隙增加时，接触会变得断断续续（间歇性接触），从而导致滚道和滚子之间发生冲击。下面显示的不同间隙处的轴承力证实了这种行为。
靠近风扇的轴承2 的垂直反作用力是向上的，支撑风扇的悬垂重量。但是，由于悬臂重量导致轴弯曲，轴承1 的垂直反作用力始终向下。同样清楚的是，轴承的水平反作用力在大间隙处极具间歇性，这表明滚子和滚道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 的垂直反租用力(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。随着间隙的减小，高频振动变得不那么明显。
轴承 1 处轴水平运动的频谱。
在转子运行过程中，由于磨损，轴承间隙可能会随着时间的推移而增加。因此，转子的振动响应也会有高频成分。如果测得的转子响应具有一些高频成分，则可能表明轴承已磨损并应该更换。
下一个
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