脂润滑深沟球轴承弹流润滑及噪音研究

摘要

深沟球轴承被广泛运用于航空航天、高铁和矿山机械等装备中，重载工况下残余变形和残余应力易导致轴承发生疲劳剥落和磨损等失效，但至今缺乏脂润滑重载深沟球轴承弹塑性流体动力润滑性能研究。此外，材料本身缺陷、热处理不当或剧烈冲击等因素均会造成轴承滚道表面产生裂纹，这些表面裂纹势必会影响该类轴承的润滑性能。然而至今，计入表面裂纹的脂润滑深沟球轴承润滑性能研究尚未发现。除了轴承的润滑性能需要提升以外，轴承的噪音问题亦亟待解决。然而至今，针对深沟球轴承噪音的仿真研究尚未发现。因此，本文立足于国家自然科学基金面上项目“计入转子动力学性能影响的高速滚动轴承多体润滑及热特性研究”（项目编号：51775067）等，依次对脂润滑重载深沟球轴承弹塑性流体动力润滑性能、计入表面裂纹的轴承润滑性能以及计入弹性流体润滑影响的轴承噪音进行了研究，研究结果渴望为提升脂润滑深沟球轴承的润滑性能和降低该类轴承噪音提供一定的理论参考。论文主要工作如下： 首先，建立了脂润滑重载深沟球轴承弹塑性流体动力润滑模型，并采用增量理论求解轴承残余变形，同时借助快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）方法加快轴承的变形和应力求解，在此基础上研究了该类轴承弹塑性流体动力润滑性能。研究发现：脂润滑弹塑性流体动力润滑条件下，重载轴承中外滚道润滑区中心产生凹陷残余变形，而润滑区边缘及附近区域产生凸起残余变形，且承载最大滚动体与外滚道之间的润滑区面积大于弹流润滑情况，而最小膜厚和中心膜厚均小于弹流润滑情况。脂润滑重载工况下，适当地选用流变指数大的润滑脂、减小轴承径向游隙以及提高内圈转速（外圈固定）均有利于减小轴承最大脂膜压力、最大残余变形和最大残余von Mises应力。 然后，建立了计入表面裂纹的脂润滑深沟球轴承润滑模型，研究了计入表面裂纹的该类轴承润滑性能。研究结果表明：相比无裂纹情况，表面裂纹导致轴承最大脂膜压力和最大von Mises应力增加、滚动体von Mises应力容易出现应力集中。裂纹长度和深度增加均会导致轴承最大脂膜压力和最大von Mises应力增大。随着裂纹区出口处到润滑区中心最短距离的减小，滚动体与外滚道之间最大脂膜压力逐渐增大；当沿各方向上述距离相等时，裂纹位于润滑出口区对应的最大脂膜压力大于裂纹位于润滑入口区情况。 最后，建立了计入弹性流体润滑影响的深沟球轴承噪音模型，对该类轴承噪音进行了仿真研究。仿真结果表明：深沟球轴承噪音分布关于轴承宽度方向中截面对称，且从该截面到轴承两侧，噪音逐渐减小。对比非承载区，承载区的噪音面积较大，且最大噪音出现在承载最大滚动体与外滚道之间润滑区中心。外圈固定、内圈转速增加时，轴承最大噪音先减小后增大，存在一个临界转速。适当地减轻轴承载荷、减小轴承径向游隙、增加滚动体数目以及选用流变指数大的润滑脂均有利于降低轴承最大噪音。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

主要符号对照表

1 绪 论

1.1 课题背景及意义

图1.1 深沟球轴承疲劳剥落

图1.2 深沟球轴承内滚道磨损过程[3]

图1.3 深沟球轴承裂纹[5]

1.2 国内外研究现状

1.2.1 深沟球轴承流体动力润滑研究现状

1.2.2 裂纹对深沟球轴承润滑性能影响研究现状

1.2.3 深沟球轴承噪音研究现状

1.3 研究内容

图1.4 论文结构

2 深沟球轴承弹塑性流体动力润滑研究

2.1 轴承弹塑性流体动力润滑物理模型

图2.1 润滑模型

2.2 轴承弹塑性流体动力润滑数学模型

2.2.1 轴承拟静力学分析

2.2.2 弹塑性流体动力润滑控制方程

2.2.3 弹塑性变形方程

2.2.4 弹塑性应力方程

2.3 轴承弹塑性流体动力润滑求解方案

图2.3 求解流程

图2.4 数据传递示意图

2.4 轴承弹塑性流体动力润滑模型验证

2.4.1 轴承拟静力学分析有效性验证

2.4.2 弹塑性流体动力润滑求解有效性验证

2.5 计算结果与讨论

表2.1 计算参数

2.5.1 残余变形对轴承润滑性能影响

2.5.2 切向模量对轴承润滑性能影响

2.5.3 流变指数对轴承润滑性能影响

2.5.4 径向游隙对轴承润滑性能影响

2.5.5 转速对轴承润滑性能影响

2.6 本章小结

3 计入表面裂纹的深沟球轴承润滑模型建立

3.1 计入表面裂纹的轴承润滑物理模型

图3.1 物理模型

3.2 计入表面裂纹的轴承润滑数学模型

3.2.1 轴承拟静力学分析

3.2.2 计入表面裂纹的弹流润滑控制方程

3.2.3 应力方程

3.3 计入表面裂纹的轴承润滑求解方案

图3.2 求解流程

3.4 计入表面裂纹的轴承润滑模型验证

图3.3 验证模型

① 网格灵敏度分析

② 有无裂纹验证结果

③ 不同裂纹长度下验证结果

④ 不同裂纹宽度下验证结果

3.5 本章小结

4 计入表面裂纹的深沟球轴承润滑性能研究

表4.1 计算参数

4.1 裂纹尺寸及位置对轴承润滑性能影响

4.1.1 裂纹影响

4.1.2 裂纹长度影响

4.1.3 裂纹宽度影响

4.1.4 裂纹深度影响

4.1.5 裂纹位置影响

4.2 流变参数对裂纹轴承润滑性能影响

4.2.1 流变指数影响

4.2.2 塑性粘度影响

4.3 结构尺寸和工况条件对裂纹轴承润滑性能影响

4.3.1 滚动体数目影响

4.3.2 径向游隙影响

4.3.3 载荷影响

4.3.4 转速影响

4.3.5 表面粗糙度影响

4.4 本章小结

5 计入弹性流体润滑影响的深沟球轴承噪音研究

5.1 轴承噪音物理模型

图5.1 物理模型

5.2 轴承噪音数学模型

5.2.1 轴承拟静力学分析

5.2.2 弹流润滑控制方程

5.2.3 轴承噪音方程

5.3 轴承噪音求解方案

图5.4 求解流程

5.4 计入弹性流体润滑影响的轴承噪音模型验证

图5.5 TFM-150润滑膜厚与摩擦系数测量仪

图5.6 不同卷吸速度下膜厚分布(F=40 N)

图5.7 不同卷吸速度下中心膜厚

5.5 计算结果与讨论

表5.1 计算参数

5.5.1 载荷对轴承噪音影响

5.5.2 内圈转速对轴承噪音影响

5.5.3 外圈转速对轴承噪音影响

5.5.4 流变指数对轴承噪音影响

5.5.5 滚动体数目对轴承噪音影响

5.5.6 径向游隙对轴承噪音影响

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致 谢

参考文献

附 录

A．作者在攻读学位期间发表的论文和科研成果

B．作者在攻读学位期间参与的科研项目