东莞电机丨分析高速牵引电机深沟球轴承的显式动力学

以深沟球轴承6311为分析对象，轴承几何参数见表1。

轴承在工作时，作用在轴承上的负载分为局部、循环和摆动三种负荷。在高速牵引电机中，轴承所受载荷类型为局部负荷。受到径向力作用，局部负载作用在轴承内圈上，方向不变。为了模拟滚动轴承内圈所受到的方向不变的力，在轴承内圈中建立刚性轴。轴承的倒角和边棱对轴承内部应力分布的影响很小，所以实体模型不包括倒角与边棱，不考虑径向游隙、轴向游隙以及油膜的影响。

2、材料参数

深沟球轴承6311的内、外圈和滚动体的材料均为GCrl5钢，保持架为冷轧钢板。在工作过程中，滚动体的应变最大，而内、外圈和保持架的变形较小，因此在选择材料模型时，定义内圈和保持架为刚体，滚动体和外圈为弹塑性体。相应的材料模型参数如表2。

3、有限元网格

网格划分是有限元分析前至关重要的一步，它既影响计算的精度，又影响计算的速度。采用Solidl64单元对模型进行网格划分，设置为全积分单元算法以避免出现纰漏。轴承内圈、外圈的形状比较规则，可以采用扫掠网格划分方法，生成六面体网格。滚动体经过分割后可以用映射网格划分成六面体网格。对于形状较为复杂的保持架，可以直接用自由网格划分生成四面体网格，也可以经过体分割后用映射网格划分生成六面体网格。本例采用保持架的六面体网格划分的模型，轴承的有限元模型如图1。

4、接触对

轴承在运转过程中，元件之间发生接触。由于接触区域无法事先估计，因此采用自动面面接触建立滚动体与内圈滚道面、外圈滚道面、保持架兜孔面的接触对，接触对的节点组元如图2。为了考虑摩擦的影响，在建立接触对时设置静摩擦系数fs和动摩擦系数fD，相应的数值如表3。

5、边界条件

为模拟轴承工作时的工况，对轴承外圈外表面施加全约束，对外圈侧面约束其轴向的自由度，相应刚体的约束如表4。对轴承内圈和轴施加相同的转速，取值为w=433.5rad/s，对刚性轴轴线上的节点施加径向载荷，取值为F=683.5N。

三、仿真分析

图3给出了滚动体在t=0.01s和t=0.024s时的等效应力云图。由图可以看出，滚动体的最大应力均出现在滚动体与套圈接触区域。轴承运转过程中，滚动体受力位置发生变化，承受载荷的滚动体数目及应力最大值也随之发生变化。

图4给出了t=0.006s时滚动体的速度场云图，从图中可以看出，滚动体与内圈接触时速度最大，与外圈接触时速度几乎为零，这与轴承的实际工作状态相符。

1、节点的响应

2、单元响应

选取滚动体上节点N28099处的单元E24801，该单元在t=0s时位于滚动体与内圈接触处。从图中可以看到，在0.004s前是一个不稳定状态，曲线的第一个峰值（0.0064s)是E24801单元与外圈接触，第二个峰值(0.0099s)是E24801单元与内圈接触，第三个峰值(0.0131s)是E24801单元再次和外圈接触。

四、结论

(1)滚动体的最大应力均出现在滚动体与内、外圈接触点处。

(2)在滚动体与外滚道接触点处，接触点的位移曲线出现波峰。滚动体的位移曲线存在周期性，但幅值会有所差异。

(3)滚动体与内圈接触点速度最大，速度曲线出现波峰；与外圈接触点的速度最小，速度曲线出现波谷。

(4)滚动体单元最大等效应力和剪切应力均出现在与滚道接触处。

(5)在轴承内圈中加上轴颈并在轴颈中心线处施加径向载荷来模拟轴承的径向受载情况是有效可行的。

(6)ANSYS/LS-DYNA分析结果与实际情况相吻合，为研究高速牵引电机球轴承动态特性提供了新的有效的方法。

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