基于热-力耦合的圆柱滚子轴承滚子凸度量研究

摘要

圆柱滚子轴承在高速旋转的时候各元件间因摩擦而产生大量的热，导致轴承温度上升，致使轴承各元件受热膨胀，轴承间的游隙减小，应力变大，磨损加剧，影响轴承的使用寿命。同时由于滚子母线设计的不合理，在运转过程中，滚子与滚道接触之间会出现应力集中现象，导致滚子和套圈受到不同程度的损伤，降低轴承的疲劳寿命。所以对圆柱滚子轴承的滚子凸度进行合理的设计，是提高轴承工作性能和可靠性的重要手段，因此对圆柱滚子轴承进行温升分析和力学性能研究有着重要的意义。　　为了研究圆柱滚子轴承的温升，需明确轴承各元件间的摩擦功耗，而摩擦功耗是由轴承内部各元件相互作用产生的。本文基于滚动轴承动力学、接触力学和摩擦学原理，建立了圆柱滚子轴承动力学仿真模型，在此基础上建立了轴承摩擦功耗模型，求得不同工况下摩擦功耗的变化规律。利用摩擦功耗求解轴承的温度场，将温度场作为热-力耦合求解的边界条件，研究了不同工况下对数母线修型的滚子不同凸度量对轴承力学性能的影响。　　本文得到的主要结论有：1.不同的工况条件和结构参数对圆柱滚子轴承的摩擦功耗有很大影响；2.转速和径向载荷的提高均会导致圆柱滚子轴承的温度升高，最高温度出现在滚子与内圈接触处；3.在考虑热-力耦合作用下，对数修型滚子存在一个最优凸度值，能够避免端部出现应力集中；4.由于计入了轴承温升引起的热膨胀，滚子与内、外圈之间的最大接触应力比未考虑耦合的最大接触应力要大，得出的对数母线修型滚子的最优凸度值也有所不同；5.不同的工况条件和结构参数对最优凸度值的选取均有影响，所以在实际的圆柱滚子轴承设计中可针对具体的工况对轴承凸度进行优化设计，从而在一定程度上提高轴承的疲劳寿命；6.通过对圆柱滚子轴承进行温升试验，验证了热分析的结果具有一定的可靠性，可为轴承滚子凸度的优化设计提供更精确的指导。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、意义及目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滚动轴承动态特性分析研究现状

1.2.2 轴承温度场研究现状

1.2.3 圆柱滚子轴承凸度研究现状

1.3 研究内容及方法

第2章 圆柱滚子轴承动力学分析模型

2.1 圆柱滚子轴承坐标系系统及假设

2.2 圆柱滚子轴承各元件运动分析.

2.3 高速圆柱滚子轴承受力分析.

2.3.1 滚子与滚道之间的变形

2.3.2 滚子与滚道间法向接触力及拖动力

2.3.3 滚子与保持架间作用力

2.3.4 保持架与引导套圈及端面受力

2.4 高速圆柱滚子轴承非线性动力学微分方程

2.4.1 滚子非线性动力学微分方程组

2.4.2 保持架非线性动力学微分方程组

2.4.3 内圈非线性动力学微分方程组

2.5 高速圆柱滚子轴承动力学模型求解

2.6 圆柱滚子轴承仿真模型的建立

2.6.1 圆柱滚子轴承仿真模型的求解及后处理

2.7 本章小结

第3章 圆柱滚子轴承热分析

3.1 圆柱滚子轴承摩擦功耗模型

3.2 Palmgren摩擦力矩计算经验公式

3.3 基于动力学的轴承摩擦功耗计算模型

3.3.1 滚子与滚道间的弹性滞后引起的摩擦功耗

3.3.2 滚子与滚道间的滑动引起的摩擦功耗

3.3.3 滚子与保持架兜孔间摩擦功耗

3.3.4 保持架与引导套圈间摩擦功耗

3.3.5 滚子所受粘性摩擦功耗

3.4 圆柱滚子轴承摩擦功耗计算与分析

3.4.1 工作转速对功耗的影响

3.4.2 径向载荷对功耗的影响

3.4.3 径向游隙对功耗的影响

3.4.4 滚子个数对功耗的影响

3.5 热传递计算模型

3.5.1 热传导

3.5.2 热对流

3.5.3 热辐射

3.6 圆柱滚子轴承温度场有限元分析

3.6.1 有限元模型的建立

3.6.2 材料参数

3.6.3 网格划分

3.6.4 接触对的建立

3.6.5 载荷的施加和边界的约束

3.6.6 求解以及后处理

3.6.7 温度场结果

3.7 本章小结

第4章 圆柱滚子轴承热-力耦合分析

4.1 圆柱滚子轴承热-力分析

4.1.1 圆柱滚子轴承热-力模型的建立

4.1.2 热-力耦合算例分析

4.1.3 径向载荷对最优凸度值的影响

4.1.4 转速对最优凸度值的影响

4.1.5 滚子个数对最优凸度值的影响

4.2 本章小结

第5章 圆柱滚子轴承温升试验

5.1 试验内容与目的

5.2 试验方法

5.2.1 试验设备

5.2.2 试验过程

5.3 试验结果与分析

5.3.1 轴承的温升试验

5.4 本章小结

第6章 结论

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果