基于Solidworks的轧辊轴承座有限元分析

    轧辊轴承座（以下简称轴承座）是轧机中的重要部件之一，性能的好坏直接影响轧机产品的生产质量。轧机工作时，轴承座不仅支撑着轧辊，而且承受轧辊传递的载荷。国内利用分析设计轧辊轴承座的研究较少，本文就如何利用进行轴承座的设计及结构优化做详细说明。

1 有限元分析模型的建立

    以某钢厂1580型热连轧机-上工作辊轴承座设计为例。利用做出轴承座的三维实体造型图，如图1所示。从图上可以看出轴承座有众多的油孔、螺纹孔、小圆角、起吊孔等，由圣维南定理可知，油孔、小圆角等只影响局部应力而不影响整体应力分布，因此，可以去掉油孔、螺纹孔、起吊孔，把圆角变为直角，得到轴承座的三维简化模型，如图2所示。

图1 轧辊轴承座三维实体造型图

图2 轴承座有限元分析模型

2 利用 simulation进行有限元分析

    2.1 定义材料属性

    轴承座常用的材料有铸造碳钢ZG35(ZG270-500)及合金铸钢ZG35CrMo等，试选用ZG35，其材料属性：弹性模量为2×1011N/m2，密度为7850kg/m2，屈服强度σs=230MPa，在材料编辑器里生成ZG35新材质并添加到轴承座模型中。

    2.2 载荷及其作用面的确定

    轧机工作时，轴承座主要承受轧辊施加给轴承孔圆柱面下半部分的径向轧制力，由于轧制力远远大于轴承座的重量，所以忽略其重量，经计算确定轴承孔径向载荷为Po=28.5MPa。

    2.3 约束确定

    根据轴承座实际的安装方式，即轴承座固定在刚性很高的轧机里，所以轴承座两个侧面施加固定约束。

    2.4 计算结果及分析

    开启 simulation插件，将固定约束应用于轴承座的两个侧面，施加压力载荷Po作用于轴承孔圆柱面的下半部分，取适当的网格划分，点击“运行”，simulation自动运算并输出相应的结果，其应力分布图、安全系数分布图、变形分布图（x与y方向）等，如图3，4，5所示。

图3 应力分布图

图4 安全系数分布图

图5 位移分布图

    由图3可知最大等效应力出现在轴承孔的底部，其值为456MPa，大于ZG35的屈服应力，轴承座的强度不满足要求，此外，由图4可知轴承座的最小安全系数为0.5，其值小于1，所以需要重新选择材料进行分析。选屈服强度较大的合金铸钢ZG35CrMo，仍然按上面的设计步骤进行。可得：最大等效应力为458.6MPa，小于ZG35 CrMo的屈服应力（σs≥510 MPa），最小安全系数为1.11，在x与y方向上的最大位移分别为0.153mm，0.681mm，均没超过轴承的间隙，满足最小油膜厚度要求，设计符合要求。