考虑尺寸效应的大型轴承疲劳寿命分析

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.12.010

摘要/Abstract

摘要：

针对大型轴承疲劳寿命分析过程中尺寸效应的问题，对大型轴承进行疲劳寿命分析并深入研究了尺寸效应所产生的影响规律.通过建立接触载荷计算模型，确定接触力分布情况，结合Lundberg-Palmgren理论，计算出不同尺寸下大型轴承的疲劳寿命，分析得到了滚珠个数与直径耦合关系以及滚道中心圆直径等参数对大型轴承疲劳寿命的影响并讨论了大型轴承在疲劳寿命方面的尺寸效应，为大型轴承的设计与选用提供了参考.研究结果表明：减小沟曲率系数、增大接触角和滚道中心圆直径可延长大型轴承的使用寿命，滚珠直径的变化对大型轴承寿命的影响要大于滚道中心圆直径变化对其寿命的影响，且接触角的增大会增强尺寸效应，而沟曲率系数的增大则会削弱这一效应.

关键词: 大型轴承, 尺寸效应, 疲劳寿命, 接触载荷, 模型建立

Abstract:

Aiming at the problem of size effect in the process of fatigue life analysis of slewing bearings， the fatigue life analysis of slewing bearings is carried out and the influencing law of size effect is studied in depth. By establishing the contact load calculation model and determining the contact force distribution， combined with the Lundberg-Palmgren theory， the fatigue life of slewing bearings with different sizes is calculated. The coupling relationship between ball number and diameter， the influence of raceway center circle diameter and other parameters on the fatigue life of slewing bearings are analyzed， and the size effect of slewing bearings on the fatigue life is discussed， which provides reference for the design and selection of slewing bearings. The results show that reducing the groove curvature coefficient， increasing the contact angle and the raceway center circle diameter can increase the service life of slewing bearings. The influence of ball diameter change on the service life of slewing bearings is greater than that of the change of the raceway center circle diameter， and the increase of contact angle will enhance the size effect， while the increase of groove curvature coefficient will weaken the effect.

Key words: slewing bearing, size effect, fatigue life, contact load, modelling

中图分类号:

TP 20

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图/表 17

图1 单排4点接触球式轴承结构示意图

Fig.1 Structure of the single‑row four‑point contact slewing bearing

表1 010.40.1000大型轴承主要参数

Table 1 Parameters of 010.40.1000 slewing bearings mm

参数	数值	参数	数值
公称直径D₁	1 122	总高H	100
公称内径d	878	内外圈高度H₁	90
内圈外径D₂	1 001	滚道中心圆直径d_m	1 000
外圈内径d₁	998	滚珠直径D	40

表2 不同尺寸大型轴承主要参数 (different sizes mm)

Table 2 Parameters of slewing bearings with

序号	基本型号	滚珠直径	滚道中心圆直径	公称外径	公称内径
1	010.40.1000	40	1 000	1 122	878
2	010.30.1000	30	1 000	1 122	878
3	010.30.500	30	500	602	398
4	010.20.250	20	250	330	170
5	010.20.200	20	200	280	120

图2 初始状态下大型轴承几何关系图

Fig.2 Diagram of slewing bearing geometry in the initial state

图3 大型轴承受载示意图

Fig.3 Diagram of load on the slewing bearing

图4 大型轴承接触力分布图（a）—经验公式结果；（b）—计算模型结果.

Fig.4 Contact force distribution diagram of slewing bearing

表3 文献[12]中的数据

Table 3 Data in reference[12]

参数	理论计算值	实验值	FE-SAFE仿真值
圈数	8 821 000	8 386 560	7 533 600
误差	5.18%	0%	10.17%

图5 滚道直径对不同型号大型轴承疲劳寿命的影响(a)—轴承2； (b)—轴承3.

Fig.5 Effect of ball diameter on the fatigue life of slewing bearings of different sizes

表4 轴承1滚珠直径与个数取值

Table 4 Diameter and ball number of bearing 1

组数	1	2	3	4	5	6
滚珠直径/mm	38	40	42	44	46	48
滚珠个数	77	74	70	67	64	62

表5 轴承2滚珠直径与个数取值

Table 5 Diameter and ball number of bearing 2

组数	1	2	3	4	5	6
滚珠直径/mm	29	30	31	32	33	34
滚珠个数	100	97	94	91	89	86

表6 轴承3滚珠直径与个数取值

Table 6 Diameter and ball number of bearing 3

组数	1	2	3	4	5	6
滚珠直径/mm	29	30	31	32	33	34
滚珠个数	50	48	47	45	44	43

表7 轴承4滚珠直径与个数取值

Table 7 Diameter and ball number of bearing 4

组数	1	2	3	4	5	6
滚珠直径/mm	19	20	21	22	23	24
滚珠个数	37	35	33	32	31	30

图6 滚珠直径与个数耦合对疲劳寿命的影响（a）—轴承1；（b）—轴承2；（c）—轴承3；（d）—轴承4.

Fig.6 Effect of coupling the diameter and number of balls on the fatigue life

图7 初始接触角对大型轴承疲劳寿命的影响

Fig.7 Effect of initial contact angle on the fatigue life of slewing bearings

图8 接触角变化对不同尺寸大型轴承疲劳寿命的影响

Fig.8 Effect of contact angle change on the fatigue life of slewing bearings with different sizes

图9 沟曲率系数对大型轴承疲劳寿命的影响

Fig.9 Effect of groove curvature coefficient on the fatigue life of slewing bearings

图10 沟曲率系数对不同尺寸大型轴承疲劳寿命的影响

Fig.10 Effect of groove curvature coefficient on the fatigue life of slewing bearings with different sizes

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