短时高过载下滚动轴承承载与破坏的研究

论文摘要

在飞行器传动机构中,滚动轴承需满足短时工作、高过载、正反运转、有限寿命(不超过几个小时)、高可靠性、无润滑运行等要求。在这种短时高过载工况下,滚动轴承的设计还必须满足传动机构体积小、重量轻的要求。普通轴承在设计计算中均以弹性理论公式为基准,针对长寿命工况分析计算。对于高周疲劳,轴承内部由于接触引起的塑性变形与弹性变形相比很微小；但在短时高过载工况下塑性变形不能忽略,较大塑性变形使轴承在短时间内有被破坏的危险。在选用现有商品化滚动轴承时,需要进行特殊设计,目前还没有形成通用的设计理论。本文针对短时高过载工况,以滚针轴承和角接触球轴承为研究对象,分析滚动轴承在这种特殊工况下的过载能力,旨在为实际工程中的设计应用提供一些理论依据。本文考虑塑性变形,基于Palmgren半经验公式推导了高过载滚动轴承的载荷分布,并分析了游隙、制造精度、过盈装配等因素对载荷分布的影响。计算结果表明,角接触球轴承的轴向载荷对工作接触角影响明显,而径向载荷影响很小；游隙对滚针轴承载荷分布的影响很大,适当过盈可提高承载力,但滚针最大负荷增大。本文同时分析了过载或冲击载荷作用下滚动轴承的滚动体最大负荷、滚压安定及导致钢球或滚针卡死不转的载荷。润滑状态对轴承的寿命影响重大,本文基于弹流润滑理论,分析了滚动轴承在高过载工况下的最小油膜厚度和中央油膜厚度。计算结果表明滚针轴承润滑条件很差,难以形成油膜；而球轴承在接触表面平均粗糙度小于0.1μm时,即使是接触塑性变形达到钢球直径万分之十,仍可以形成润滑油膜。在计算机仿真方面,分析了有限元法求解点接触和线接触问题的仿真误差,使用ANSYS APDL语言建立了滚动轴承的六面体单元有限元模型。在前面分析的基础上,提出高过载滚动轴承的破坏形式,并将计算方法尝试用于柔性轴承强度校核。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号注释
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 滚动轴承的载荷分布
• 1.2.2 滚动轴承的失效与破坏
• 1.2.3 滚动轴承的额定静载荷与有限寿命
• 1.3 本文主要内容
• 2 短时高过载下滚动轴承理论求解
• 2.1 滚动轴承理论基础
• 2.1.1 滚动轴承结构参数
• 2.1.2 弹塑性理论基本概念
• 2.1.2 点接触Hertz理论和球轴承接触计算
• 2.1.3 线接触理论和滚针轴承接触计算
• 2.1.4 材料初始屈服载荷
• 2.2 高过载下滚针轴承的载荷分布推导
• 2.3 高过载下角接触球轴承的载荷分布推导
• 2.3.1 高过载下角接触球轴承工作接触角的变化
• 2.3.2 高过载下角接触球轴承的载荷分布
• 2.4 滚压安定载荷和滚动体过载卡死不转时的载荷
• 2.5 弹性流体动力润滑理论
• 2.5.1 滚动轴承中的简单运动学
• 2.5.2 线接触油膜厚度计算公式
• 2.5.3 点接触油膜厚度计算公式
• 2.5.4 公式修正与主要影响因素
• 2.6 本章小结
• 3 滚动轴承中点接触和线接触问题有限元仿真
• 3.1 接触分析要注意的问题
• 3.2 球轴承中弹性点接触实例分析
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 计算结果及分析
• 3.3 滚针轴承中弹塑性线接触实例分析
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 计算结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 实例分析
• 4.1 高过载滚针轴承计算实例
• 4.1.1 滚针位置对承载力的影响
• 4.1.2 塑性变形与径向载荷的关系
• 4.1.3 游隙与径向载荷的关系
• 4.1.4 润滑油膜厚度
• 4.1.5 滚针卡死不转时的载荷
• 4.2 高过载角接触球轴承计算实例
• 4.2.1 高过载时当量静载荷
• 4.2.2 塑性变形与轴向载荷的关系
• 4.2.3 塑性变形与轴向和径向联合载荷的关系
• 4.2.4 高过载时润滑油膜厚度
• 4.2.5 钢球卡死不转时的当量静载荷
• 4.3 滚动轴承全模型有限元分析
• 4.3.1 球轴承
• 4.3.2 滚针轴承
• 4.4 短时过载滚动轴承的破坏形式
• 4.5 本章小结
• 5 柔性轴承承载及结构尺寸影响分析
• 5.1 柔性轴承隔离分析
• 5.2 谐波传动机构应力分析
• 5.3 柔性轴承内部载荷分布
• 致谢
• 参考文献