滚动轴承外圈故障的显式有限元动态仿真分析

李国超 彭 炜 李勇才 高立新 张 键

1.北京工业大学北京市先进制造重点实验室，北京，100124

2.武汉钢铁（集团）公司，武汉，430081

3.武汉昊海立德科技公司，武汉，430080 4.武汉工程职业技术学院，武汉，430415

0 引言

滚动轴承是现代生产和生活中应用最广泛的零部件之一，其运行状态对设备的正常运转及正常功能的实现起着非常重要的作用。然而轴承也是极易损坏的零件之一，其主要损坏形式包括：疲劳、磨损、腐蚀、电蚀、塑性变形、断裂和开裂等［1］。据统计，由轴承引起的故障占旋转机械设备故障的7%左右［2］，其中90%的故障发生在内圈和外圈上。目前对于轴承故障的研究主要集中在轴承的检测和诊断上，即利用数据采集系统及信号处理技术［3］提取轴承损坏元件的特征频率，以达到对轴承故障进行预测的目的。

用有限元方法对滚动轴承进行仿真分析的有效性已被验证。本文以显式算法［4］为基础，应用ANSYS／LS-DYNA软件对滚动轴承常见的外圈裂纹故障进行了仿真分析。在物理模型的基础上，选取贴合实际的材料模型，并选择合理的摩擦及约束条件对故障模型进行了仿真分析。仿真结果为研究轴承故障机理及寻找轴承故障特征提供了条件和依据。

1 有限元模型的建立

滚动轴承的内部运动相当复杂，不仅存在着滚动体相对内外圈的运动，更有因此而产生的离心力和陀螺力矩，同时还存在着因滚动体与轴承内外圈接触而产生的摩擦力和油膜拖动力［5］。基于滚动轴承上述工作工况，对滚动轴承模型进行如下假设：