Abstracto

El desplazamiento de la convexidad de los rodillos tiene un efecto significativo en la vida útil de los rodamientos de rodillos cónicos. A través del análisis de elementos finitos, este artículo analiza los cambios en la tensión de contacto entre los rodillos y las pistas de rodadura de los anillos interior y exterior de los rodamientos cuando el centro de convexidad de los rodillos cónicos se desplaza hacia ambos extremos bajo ciertas condiciones de carga. Los resultados muestran que el centro de convexidad de los rodillos cónicos puede desplazarse hacia el extremo grande del rodillo dentro de un cierto rango; Si se excede este rango, se producirá una gran diferencia de tensión en ambos extremos del rodillo, lo que provocará una falla prematura del rodamiento. Además, el centro de convexidad de los rodillos no debe desplazarse hacia el extremo pequeño del rodillo. Para mejorar la vida útil de los rodamientos ante la fatiga por contacto, es necesario determinar el desplazamiento de convexidad permitido de los rodillos.

Palabras clave: rodamiento de rodillos cónicos; compensación de convexidad; estrés de contacto; análisis de elementos finitos

1 Introducción

Los rodamientos de rodillos cónicos tienen las ventajas de soportar cargas axiales y radiales simultáneamente, gran capacidad de carga-, pequeña fricción de rodadura, alta rigidez y fácil instalación. Se utilizan ampliamente en equipos mecánicos de gran tamaño, como automóviles, ferrocarriles, máquinas herramienta, minas y metalurgia. El error de compensación de la convexidad durante el mecanizado de rodillos de convexidad logarítmica y el error de compensación de los rodillos durante el ensamblaje tienen impactos importantes en su rendimiento y vida útil. Por tanto, es necesario determinar un rango de error razonable.

La determinación del desplazamiento de la convexidad tiene una importancia orientativa para el diseño y la aplicación de rodamientos de rodillos cónicos. La referencia utiliza el método de elementos finitos para analizar la distribución de tensiones de los rodamientos de rodillos cilíndricos bajo ciertas condiciones de carga y proporciona el desplazamiento de la convexidad que se controlará durante la modificación de los rodillos de curva logarítmica mediante el análisis del desplazamiento de los rodillos. La referencia analiza la fórmula de cálculo de vida útil aplicable a diferentes rodillos modificados, lo que indica que la modificación de la curva logarítmica tiene cierta importancia para mejorar la vida útil del rodamiento. En este artículo, el rodamiento de rodillos cónicos de doble-hilera 353112 se toma como ejemplo de análisis de elementos finitos para estudiar el rango razonable de su compensación de convexidad y su influencia en la distribución de la tensión de contacto.

2 Modelo de elementos finitos de rodamientos de rodillos cónicos

2.1 Compensación de la convexidad del rodillo

El diseño y mecanizado de rodillos cónicos considera principalmente los requisitos de las características de su superficie de trabajo, es decir, la convexidad y la superficie base esférica del rodillo. Para rodillos de convexidad de curva logarítmica, se pueden lograr diferentes cantidades de convexidad en ambos extremos del rodillo moviendo ligeramente el centro de longitud efectiva del rodillo como origen de coordenadas hacia el extremo grande del rodillo. El diagrama esquemático del desplazamiento de convexidad del rodillo de curva logarítmica se muestra en la Figura 1. El error de desplazamiento de convexidad de un rodillo cónico se refiere al desplazamiento s entre el punto simétrico del rodillo de curva logarítmica modificada y el origen de coordenadas o.

Figura 1: Diagrama esquemático del desplazamiento de convexidad del rodillo de curva logarítmica

2.2 Modelado

El diagrama esquemático estructural del rodamiento de rodillos cónicos de doble-hilera 353112 para cubos de ruedas de camión se muestra en la Figura 2, y los principales parámetros estructurales se enumeran en la Tabla 1.

Figura 2: Diagrama esquemático de la estructura del rodamiento de rodillos cónicos

Tabla 1 Principales parámetros estructurales del rodamiento

El material del cojinete es GCr15, el coeficiente de fricción de contacto entre el rodillo y las superficies interior y exterior de la pista de rodadura es 0,1, el módulo elástico del material es 206 GPa y la relación de Poisson es 0,3. La carga normal máxima sobre el rodillo es de 7.000 N. Debido a su estructura simétrica, sólo es necesario establecer un modelo de 1/2 elementos finitos.

Al establecer el modelo con software de elementos finitos, se ignoran los chaflanes y bordes que tienen poca influencia sobre la tensión del rodamiento, y no se consideran los efectos del juego axial, el juego radial y la película de aceite lubricante sobre la tensión de contacto. El tipo de elemento adopta un elemento Solid185 de 8-nodos, con 3 grados de libertad por nodo, que se puede utilizar para simular estructuras sólidas homogéneas. Después de cortar las posiciones de contacto entre las pistas de rodadura de los anillos interior y exterior y los rodillos, se establece el tamaño total del elemento para la división de malla mapeada y se adopta el método de división de malla barrida para otras partes. El elemento de malla mínimo en la parte cifrada es más pequeño que la longitud del medio ancho del contacto, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Modelo de elementos finitos

Los pares de contacto se crean con los anillos interior y exterior del rodamiento como superficie objetivo y la superficie del rodillo como superficie de contacto, con un coeficiente de fricción de contacto de 0,1. Configuraciones de condiciones límite: se aplican restricciones simétricas a cada sección del rodamiento, la superficie exterior del aro exterior está completamente restringida debido al ajuste de interferencia con el asiento del rodamiento y el grado de libertad axial del aro interior está restringido. Al cargar, el nodo en el centro de simetría del anillo interior se toma como nodo maestro, los nodos adyacentes se seleccionan como nodos esclavos y luego todos los nodos en la superficie interior del anillo interior se acoplan con el grado de libertad (radial) en la dirección y-y la carga se aplica al nodo maestro.

3 Resultados y Análisis

Sin compensación de convexidad, la distribución de tensión a lo largo de la dirección generatriz del rodillo entre el rodillo y las pistas de rodadura de los anillos interior y exterior se muestra en la Figura 4. Se puede ver que el valor máximo de tensión entre el rodillo y el anillo interior se encuentra en la posición ligeramente a la izquierda del centro del rodillo. Sin embargo, el valor máximo de tensión entre el rodillo cónico y el anillo exterior está cerca del centro del rodillo y la distribución de tensiones es simétrica y uniforme.

Figura 4: Tensión de contacto entre el rodillo y los anillos interior y exterior sin compensación de convexidad

Cuando el centro de convexidad del rodillo se desplaza 0,4 mm hacia el extremo grande del rodillo y 0,2 mm hacia el extremo pequeño del rodillo, la distribución de la tensión de contacto entre el rodillo y la pista de rodadura del anillo interior a lo largo de la generatriz del rodillo se muestra en la Figura 5, y la tensión de contacto no está distribuida de manera simétrica y uniforme.

Figura 5: Tensión de contacto entre el rodillo y la pista de rodadura interior cuando el centro de convexidad del rodillo se desplaza

Cuando el centro de la convexidad del rodillo se desplaza hacia ambos extremos, los cambios en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo y la pista de rodadura del anillo interior se muestran en la Figura 6. Puede verse en la Figura 6a que bajo las mismas condiciones, a medida que aumenta la desviación de la convexidad, la tensión de contacto en el extremo pequeño del rodillo disminuye gradualmente, mientras que la tensión de contacto en el extremo grande del rodillo aumenta rápidamente. Cuando el desplazamiento aumenta a más de 0,2 mm, la diferencia en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo aumenta rápidamente. La situación en la que el centro de la convexidad se desplaza hacia el extremo pequeño del rodillo se muestra en la Figura 6b. A medida que aumenta el desplazamiento, la diferencia en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo comienza a aumentar significativamente. Se puede ver que el desplazamiento de la convexidad de la generatriz del rodillo provocará asimetría y falta de uniformidad en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo y la pista de rodadura.

Figura 6: Influencia de la compensación de la convexidad en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo y la pista interior

La Figura 7 es una evaluación cuantitativa de la influencia del desplazamiento de la convexidad sobre la tensión de contacto en ambos extremos del rodillo. A medida que aumenta el desplazamiento de la convexidad, la diferencia relativa en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo aumenta de forma no-lineal. Cuando el desplazamiento de la convexidad hacia el extremo grande es mayor que 0,1 mm, la diferencia relativa en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo aumenta rápidamente, lo que indica que un desplazamiento de 0,1 mm hacia el extremo grande es un punto de inflexión. En este momento, la diferencia relativa entre ambos extremos del rodillo es de aproximadamente el 20 %, lo que cumple con el error relativo máximo permitido del 25 % en ingeniería. Sin embargo, cuando el centro de la convexidad se desplaza hacia el extremo pequeño, la diferencia relativa en la tensión de contacto entre ambos extremos del rodillo es grande y no cumple con las condiciones de ingeniería. Por lo tanto, para cumplir con la uniformidad y simetría de la distribución de tensiones del rodamiento de rodillos cónicos 353112, el centro de convexidad del rodillo de curva logarítmica debe controlarse con un desplazamiento de 0,1 mm hacia el extremo grande y no debe desplazarse hacia el extremo pequeño.

Figura 7: Relación entre el desplazamiento del centro de la convexidad y la diferencia de tensión relativa entre ambos extremos del rodillo)

4 Conclusión

Al modificar rodillos de curva logarítmica, se debe controlar estrictamente el desplazamiento del centro de convexidad del rodillo; de lo contrario, la tensión de contacto exhibirá una asimetría compleja. El centro de la convexidad puede desplazarse moderadamente hacia el extremo grande. Para el rodamiento 353112, el centro de convexidad del rodillo debe controlarse con un desplazamiento de 0,1 mm hacia el extremo grande, y el centro de convexidad no debe desplazarse hacia el extremo pequeño del rodillo.

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