四、回转支承疲劳寿命数值仿真

回转支承疲劳寿命仿真根据给定受力状态，采用疲劳寿命评估准则进行分析，通过疲劳分析软件进行计算，根据计算结果，可以准确观察回转支承的疲劳危险区域。

（一）疲劳寿命数值参数设置

本部分运用FE-SAFE疲劳分析软件对回转支承进行疲劳寿命数值计算，对于FE-SAFE软件材料库中没有的材料，可根据材料的抗拉强度和弹性模量运用Seeger算法生成疲劳数据，可准确求得普通碳素钢、铝合金、中低合金钢等的疲劳数据。1080MPa抗拉强度和207GPa弹性模量的42CrMo疲劳性能参数值，见表2-18。

42CrMo的 S-N 曲线和 ε-N 曲线可由材料的疲劳参数值得到。根据抗拉强度 R _m 和弹性模量 E 求得材料的伸长率 A 为

应力集中程度通过应力集中系数 K _T 表示，表面粗糙度反映滚道表面微观形状误差，滚道表面粗糙度 Ra 值越小，表面沟痕越浅，应力集中越不明显，抗疲劳能力越强。应力集中系数经验计算公式为

（二）疲劳寿命算法分析

运行状态下回转支承滚道呈现多轴应力场状态，适合用Brown-Miller应变-寿命准则来评估，Brown-Miller认为疲劳损伤发生在最大切应力幅值的平面上，是最大切应变和这个平面上的主应变共同作用的结果。如果最大切应变是 γ _max ，相应的主应变是 ε _n ，根据Mohr的应变环理论， γ _max 和 ε _n 的表达式为

对于单轴平面应力， ε ₂ = -νε ₁ 和 ε ₃ = -νε ₁ ， ν 为泊松比，于是可得

应变-寿命方程可改写为切应变幅度和主应变幅度的表达形式，由此可简化为

对于弹性材料，泊松比为0.3， γ _max =1.3 ε ₁ ， ε _n =0.35 ε ₁ 。计算得常数 c ₁ =1.65。对于全塑性材料，泊松比为0.5，用相同的方法得到 c ₂ =1.75，于是完整的表达Brown-Miller应变-寿命方程为

式中， N _f 是在多级交变应力作用下直到破坏的总循环数； 是疲劳强度系数； 是疲劳延性系数； b 是疲劳强度指数； c 是疲劳延性指数。

构件疲劳寿命受平均应力影响明显，拉、压应力状态下预测的疲劳寿命比对称循环应力状态要短得多，因此，需要用平均应力修正因子来修正Brown-Miller应变-寿命方程，从而精确预测机械零件的疲劳寿命。 S-N 曲线可直接求解某一应力幅下的疲劳寿命，而 S-N 曲线是在平均应力为零的对称循环应力条件下绘制的，当材料平均应力不为零时，需要对其进行修正，将其转换为平均应力为零的应力幅。Morrow平均应力修正通过减去每个循环周期的平均应力 σ _nm ，修正弹性应力大小，使预测的疲劳寿命更接近实际的疲劳寿命，Morrow平均应力修正的Brown-Miller应变-寿命方程为

回转支承滚道运行受载后应力状态呈现弹性应力状态，采用平均应力修正的寿命评估准则对预测零件的高周疲劳寿命具有重要作用。因此，Morrow平均应力修正的Brown-Mille应变-寿命方程适用于回转支承疲劳寿命的预测。

（三）疲劳寿命数值计算实例

本部分建立QNA-730-20型单排四点接触球式回转支承实体有限元模型，在不影响计算结果的前提下将模型进行简化处理，省略了驱动齿圈和内外圈螺栓安装孔，网格划分如图2-43所示。根据JB/T 2300—2018的承载曲线选择轴向力为3.3×10 ⁵ N，倾覆力矩为1.38×10 ⁸ N·mm。

如图2-44所示为回转支承应力云图，滚球和滚道接触部分最大等效应力为607MPa，此处为轴向力和倾覆力矩耦合最大位置，将有限元结果导入FE-SAFE疲劳仿真软件，进行疲劳寿命分析。图2-45所示为回转支承对数寿命云图，回转支承滚道低疲劳寿命区域与接触区域高应力区域分布相似，疲劳寿命循环次数为10 ^6.877 =7533600，此处为轴向力和倾覆力矩耦合后最大位置的滚道次表面，对数寿命在7以下的区域非常集中，非接触区域对数寿命接近7，滚道不易发生破坏。

由图2-46可知，滚道应力集中区域最小安全系数为1.031，当前载荷下回转支承应力状态低于设计寿命达到10 ⁷ 时的应力状态，表明该载荷下回转支承可达到设计寿命，从理论上说，该型号回转支承在选择的载荷基础上继续增加载荷才能达到设计寿命。