基于有限元的碳氮化硅高速陶瓷球轴承力学分析与陶瓷球材料研究

发布时间：2020-06-23 18:21

【摘要】：轴承、齿轮和液压是机构元件的三大要素,不同的组合可以制成各种机械设备。轴承的发展决定了一个国家的工业化水平,其性能取决于设计、材料、润滑和加工工艺四个方面。高速运转的轴承会产生很大的离心力,生成大量摩擦热导致轴承失效。目前通常用陶瓷材料制备滚动体,从材料和润滑方面改善轴承的性能。陶瓷球轴承在高速、高温腐蚀等特殊工况中有很大的应用前景,但是其韧性差,抗冲击能力不足,因此陶瓷球轴承在船舶、爆破等要求抗冲击能力的场合有一定限制。本文制备了碳氮化硅陶瓷材料,并对其性能进行测试研究,用此种材料制备滚动体,提高轴承的韧性与抗冲击能力。使用有限元分析软件ANSYS对碳氮化硅陶瓷球轴承进行力学分析,主要研究内容如下:(1)探究深沟球轴承的运动特征,推导理论公式,研究在静力作用下其内部负荷分布,探索轴承运动时的速度、加速度和应力应变等工作情况。研究轴承的疲劳失效模式,为接下来的轴承材料改性提供理论依据。(2)采用自蔓延高温合成和热压烧结法制备β-Si_3(C_x,N_(1-x))_4材料,研究其中碳的溶解度大小,以及碳浓度对材料结构稳定性、力学以及摩擦学性能的影响。从中可以知道碳在β-Si_3(C_x,N_(1-x))_4中的溶解度约为10 wt.%,超过此浓度将发生相的偏析形成Si_3N_4/SiC复合材料。在固溶状态范围内,随着碳浓度的增加,β-Si_3(C_x,N_(1-x))_4的断裂韧性和耐磨性都增大,当材料从固溶体转变成复合材料时,断裂韧性和抗磨性能随碳浓度的增加而降低,主要是由于复合物中相界缺陷引起的。如果将碳浓度为10%的碳氮化硅材料用作滚动体,能提高韧性,增强轴承的抗冲击能力。(3)使用ANSYS对碳氮化硅陶瓷球轴承6100进行静力学分析。发现最大应力存在于底部滚动体和滚道接触面上,最大形变量发生在外载荷正下方的内圈上。随着径向力的增加,滚动体与内外圈滚道的接触应力应变相应增加,并且滚动体与内圈的接触应力始终大于滚动体与外圈的接触应力。对比氮化硅轴承与碳氮化硅轴承的最大应力值发现,碳氮化硅轴承的力学性能更加优良,存在较小的应力。通过与赫兹应力进行对比,验证了有限元计算的可行性。(4)使用Workbench对碳氮化硅高速陶瓷球轴承6213进行动力学分析。轴承高速运转时产生的离心力增大了滚动体与外圈之间的接触应力,而滚动体与保持架之间的接触应力呈现不稳定的波动。对比分析氮化硅轴承与碳氮化硅轴承之间的应力值变化情况,得知碳氮化硅轴承的应力值较小,但是随着轴承运转稳定,它们之间差异值变小。轴承滚动体的速度则呈现周期性波动,与内圈接触时达到峰值,与外圈接触时速度为0。轴承刚启动时,加速度波动较大,说明此时轴承的振动明显,但是运转一定时间之后加速度趋于0,运转较为平稳。通过对轴承的模态分析,得知在低频次阶段轴承不会产生共振,保持架作为冲压件,较容易发生变形,在工艺设计以及选材方面需要优化。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3
【图文】：

运动图,外圈,支撑元件,内部运动

有限元的碳氮化硅高速陶瓷球轴承力学分析与陶瓷球材料第二章深沟球轴承理论计算分析化分析为转子系统中的支撑元件，它的运动看似简单，内大部分工况下外圈固定在轴承座中，静止不动，内实际上轴承的内部运动非常复杂，滚动体在内外圈运动，而且轴承内部元件之间的摩擦滞后力又对研究首先要清楚轴承内部的运转情况，图 2.1 展示图。

负荷分布,负荷分布,径向载荷,受载

有限元的碳氮化硅高速陶瓷球轴承力学分析与陶瓷球材料用下的负荷分布滚道之间相互接触，在外加径向载荷的作用下，接常是半圈受载，受载滚动体的数量为两个以上，每与自身所处的位置有关。在此我们需要假设轴承座外套圈不会产生变形[85]，只会有相对位移，负荷分

【参考文献】