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滑行车类游乐设施车轮滚动轴承寿命计算方法研究

来源:英亚体育app安卓版 作者:英亚体育官方网站APP点击:15 发布时间:2022-09-30 06:44:47

  摘 要:轴承是游乐设备中最重要的部件,一旦轴承出现问题,游乐设备发生危险的概率就会大幅度提高,轴承寿命的正确计算关系到游乐设施的安全。文中给出了滚动轴承设计寿命的详细推导公式,并以某原子飞车车轮轴承作为研究对象,对车轮部位的载荷进行有限元仿真分析,得到最危险工况下单个车轮承受的最大载荷,并对车轮轴承的设计寿命进行校核计算,为定期更换车轮提供了理论依据,其计算方法为滑行类游乐设施车轮轴承寿命计算提供了参考。

  0 引言游乐设施属于特种设备,设备的安全运行关系着乘客的生命安全。轴承是游乐设备中十分重要的部件,没有轴承游乐设备就不能旋转、摇摆。滚动轴承具有摩擦力小、启动灵敏、效率高、旋转精度高、润滑简便和拆装方便等优点[1],被广泛应用于游乐设施的各种传动机构中。一旦滚动轴承出现问题,游乐设备发生危险的概率就会大幅度提高。

  滑行车游乐设施运转速度高, 车轮在高速运转下,滚动轴承容易损坏,造成运行卡壳,增加运行阻力,甚至会造成安全事故。因此滑行车类游乐设施车轮轴承寿命的正确计算是保证游客生命安全的关键所在。滑行车类游乐设施车轮受到重力、离心力和冲击载荷的作用,总载荷并非平均分布到每个车轮上,单个车轮轴承受到的实际载荷难以通过理论计算获取[2]。本文给出了滚动轴承设计寿命的详细推导公式,并以某原子飞车车轮轴承作为研究对象,对车轮部位的载荷进行有限元仿真分析,得到最危险工况下单个车轮承受的最大载荷,并对车轮轴承的设计寿命进行校核计算,其计算方法为滑行类游乐设施车轮轴承寿命计算提供了参考。

  1 滚动轴承寿命原理解析1.1 轴承失效形式当滚动轴承承受径向力r F 时,由于装配间隙使得轴承内圈沿r F 向下移动δ ,上半圈不受载下半圈受载,滚动体受力不均匀,正下方滚动体承载最大载荷max F 。轴承运行时,滚动体与内外圈滚道处产生接触应力,当应力达到一定次数后,接触面产生疲劳点蚀。当接触应力超过轴承材料的屈服极限时,会出现塑性变形。如果润滑不良也可能引起磨损、胶合等失效形式。对一般正常工作状态下运行的轴承,疲劳点蚀是主要的失效形式,应按此进行寿命计算[3]。轴承运行时载荷示意图如图1所示。

  1.2 轴承寿命轴承寿命是轴承中任一元件出现疲劳点蚀前轴承运转的转数或工作小时数,一批相同的轴承, 在相同运转条件下,有90%的轴承没有发生疲劳点蚀前的转数或总工作小时数称为轴承的基本额定寿命L[4],单位为百万转,即106r。当轴承基本额定寿命为106r 时,轴承能承受的最大载荷称为基本额定动载荷,用C(单位为N)表示。

  轴承在运行过程中,通常承受径向载荷和轴向载荷的复合作用,将实际载荷换算为假想载荷后才能与额定动载荷进行比较,换算后的假想载荷,称为当量动载荷P(单位为N)[5]。

  不同类型轴承的基本额定动载荷和当量动载荷的换算公式不同,可以查询《机械设计手册》获取相关数据和换算方法。滚动轴承的当量动载荷P 与基本额定寿命L 的关系曲线 所示。

  对于相同型号的轴承,在不同的当量动载荷P1、P2、P3、……作用下,与相应的轴承基本额定寿命L1、L2、L3、……之间有如下关系[3]

  式中:ε 为轴承寿命指数,对于球轴承,ε =3,对于滚子轴承,ε =10/3。由式(1) 可得滚动轴承的寿命函数( 单位为106r):

  实际计算时,用小时数表示轴承的寿命更方便,由式(2)可得滚动轴承的寿命函数(单位为h):

  2 实例介绍原子飞车是一项新兴的滑行车类游乐设施,采用过山车的设计方式,是一项健康时尚,综合挑战性、刺激性和娱乐性为一体的现代化游乐项目。原子飞车主要由轨道、滑车车体和座舱组成,为单轨滑行车的结构型式,如图3 所示。

  滑车车体由车架支承,车架上装有上行走轮、下行走轮和平衡轮3 组车轮,分别沿不同方向将车辆约束到轨道上,使其始终不会脱离轨道[6]。本文以某型号原子飞车为研究对象,乘人、座舱和滑车车体的总质量m=150 kg,最大下滑速度v=5.0 m/s,最小转弯半径R=4.0 m,车轮直径d=0.08 m,运行冲击系数K=1.3,上行走轮和平衡轮分别由4 组规格型号相同的车轮组成,每个车轮安装两个深沟球轴承,轴承型号为609X1-224,滑车车体结构简图如图4 所示。由于原子飞车大多沿环形轨道运行,且坡度较小(小于4%),忽略风载荷、坡度载荷的影响,校核滑车车轮轴承寿命。

  1. 行走轮 2. 平衡轮 3. 车架 4. 座舱把手 5.轴承图4 原子飞车车体结构简图

  3 原子飞车车轮轴承载荷计算原子飞车车架运行时承受的载荷主要来自车体和乘人的重力、转弯时的离心力以及冲击载荷,按照最危险工况,即以最大速度通过最小转弯半径的工况,对车架进行有限元静力学分析,并提取车轮约束部位的反作用力。

  利用Ansys Workbench 有限元分析软件,采用4 节点壳单元Shell 181,并采用四边形为主的网格划分,建立原子飞车车架的有限元模型,如图5a 所示。车架受到向下的重力

  行走轮的轴向力由平衡轮的径向力承担,反之亦然,因此对所有轮组仅施加径向约束,由于转弯时仅上行走轮和单侧平衡轮与轨道接触,仅对上行走轮和单侧平衡轮施加径向约束。考虑冲击系数的影响,在车体腹板吊耳部位施加1 470×1.3=1 911 N 的向下拉力和937.5×1.3=1 218.75 N 的水平离心力,载荷与约束如图5b 所示。

  在重力载荷、离心力载荷和冲击载荷的作用下进行静力分析,求解完成后进入后处理,提取上行走轮和单侧平衡轮处的约束反力,如表1 所示。

  由表1 可知,行走轮2 受到的载荷最大,为1 131 N,行走轮的载荷并非由4 个车轮平均分配,在转弯过程中,主要由单侧行走轮承载,由于滑车类游乐设施弯道多,需根据不同工况(或最危险工况)计算单个行走轮的最大载荷。一个轮组对应两个轴承,则单个轴承的最大径照轴承受到的最大载荷对轮组轴承进行寿命校核计算。

  原子飞车车轮轴承的型号为609X1-224,由《机械设计手册》表 7-2-65 知[9],轴承的基本额定动载荷C=4 580 N,由于轴承仅受径向载荷作用,深沟球轴承的当量动载荷r P = F =565.5 N, 轴承的寿命

  该原子飞车按每天工作10 h,每年工作300 天计算,则上行走轮轴承的实际使用寿命为2.5 年。原子飞车整体的设计寿命为15 年,为了保证运行安全,上行走轮应进行定期更换,设计要求上行走轮每年更换一次。平衡轮和下行走轮运行中承受的载荷小,寿命长,只需加强定期检查,没有严格的更换周期。

  5 结论以某型号原子飞车为工程背景,利用理论方法对滚动轴承的寿命公式进行了详细推导,在重力、离心力和冲击载荷作用下对车轮载荷进行仿真分析,提取单个车轮的最大载荷,计算轴承的寿命,并确定车轮的更换周期。

  滑行车类游乐设备的实际运行工况复杂多样,车轮和轴承的型号也不尽相同,不能按照总载荷平均分配的方法确定单个车轮的载荷,应结合实际工况对车轮轴承的载荷进行针对性的计算[10]。通过本文对车轮轴承的寿命计算,设计者可对原子飞车车轮轴承寿命有一个较为准确的了解,为定期更换车轮提供了理论依据。此方法对其他滑行类游乐设施车轮轴承寿命的计算具有一定的指导意义。

  参考文献[1] 吕运,童大鹏,田野,等. 滚动轴承- 转子系统动力学建模与仿真分析[J]. 机械强度,2015(6):1 178-1 185.[2] 蒲全卫,陈喜红,陶功安,等. 悬挂式独轨列车转向架[J]. 机车电传动,2015(2):90-93.[3] 陈秀宁. 机械设计基础[M]. 杭州: 浙江大学出版社,2017.[4] 李振宗,张奇平,徐尹,等. 滚动轴承寿命及其失效分析的研究 [J]. 装备机械,2012(1):62-66.[5] 莫海军,吴上生,蓝民华,等. 机械设计教材中几个问题的探讨 [J]. 机械设计与研究,2009(3):117-120.[6] 王红军,王玮玮. 基于Delphi 和OpenGL 的原子飞车轨道设计平台研究[J]. 微计算机信息,2009(10):257-259.[7] 赵九峰. 基于ANSYS 的环园列车轨道的优化设计[J]. 机械工程与自动化,2015(5):74-76.[8] 王胜,杨强,苗晓锋. 基于ANSYS/LS-DYNA 的陶瓷球轴承仿真与分析[J]. 机械,2010(11):33-36.[9] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社,2016.[10] 赵九峰. 基于ANSYS Workbench 自控飞机回转机构驱动功率的计算及电机选型[J]. 机械,2019(4):30-33.

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