高速角接触陶瓷球轴承滚道接触应力场分析

发布时间：2017-09-18 17:27

  本文关键词：高速角接触陶瓷球轴承滚道接触应力场分析

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【摘要】：高速角接触陶瓷球轴承因其突出的性能优势,成为了高速机床中的重要零件,而其疲劳寿命一直是人们关注的焦点。轴承滚道表层的实际应力分布状态对其疲劳寿命有重要影响。轴承滚道表层的实际应力场由加工过程产生的残余应力场与特定工况下的工作应力场耦合而成。因此,在工况确定时,分析并总结出有利于提高轴承滚道疲劳寿命的表层残余应力场特征,对轴承滚道的加工具有重要的指导意义。本文主要以B7008C轴承为研究对象,先运用拟动力学模型及有限元软件分析了特定工况下轴承内滚道的工作应力分布,再将具有不同特征的残余应力与工作应力耦合,根据计算出的实际应力场分析不同残余应力特征对轴承滚道疲劳寿命的影响,具体工作如下：针对B7008C轴承,总结了有关高速角接触陶瓷球轴承的基本理论,为轴承的拟动力学分析与计算打下了基础,其中包括：角接触球轴承的基本几何学与运动学关系；根据Hertz理论计算接触应力与变形的方法；滚动轴承中的弹流润滑理论；高速工况下角接触球轴承的惯性效应,主要包括离心力与陀螺力矩对接触角、接触应力等的影响及其计算公式。最后,选择拟动力学模型来计算B7008C轴承的各种力学参数。在拟动力学模型中,考虑角接触球轴承中滚动体与滚道间的自旋运动,运用基于弹流润滑理论计算滚动体与滚道间摩擦力分布的经验公式,然后根据轴承的受力分析,列出滚动体载荷平衡方程组、套圈平衡方程组、变形协调关系方程组以及载荷-变形关系方程组,并在Matlab中编程将上述方程组联立求解,计算出B7008C轴承在特定工况下的法向载荷分布、摩擦力分布、接触角分布、滚动体自转速度与公转速度等参数。在ANSYS Workbench中建立B7008C轴承内圈模型,运用拟动力学模型求解的力学参数作为边界条件,求解并分析了内滚道表层的正应力及最大切应力分布。正应力的分布结果表明滚道表层接触区附近主要为压应力,其余部分有拉应力,但数值较小,且不在裂纹萌生处；以最大切应力的分布作为判断轴承滚道疲劳寿命的依据,结果表明：随着转速的升高,滚道表层最大切应力峰值更大且更靠近表面,轴承滚道的疲劳寿命随之降低。在分析轴承滚道磨削加工形成的表层残余应力特点的基础上,以残余应力分布中的表面应力值、转折点应力值及转折点应力深度作为变量,将具有上述不同特征的残余应力场与特定工况下的工作应力场在ANSYS Workbench中进行了耦合分析,以实际最大切应力分布为依据,分析了不同残余应力特征对疲劳寿命的影响,结果表明：磨削加工形成的残余应力能有效提高滚道疲劳寿命,残余应力分布中的表面应力值、转折点应力值及深度增加时,滚道疲劳寿命会相应增加,但这种增益作用在上述特征值达到某一临界值后便无明显体现。同时,在轴承转速发生变化时,残余应力的特征值对轴承疲劳寿命的影响也有所不同,其临界值会随转速升高而降低。
【关键词】：角接触陶瓷球轴承 拟动力学 轴承滚道 接触应力 残余应力
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH133.3
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景与意义13-14
• 1.2 高速机床及轴承的发展概况14-16
• 1.2.1 高速机床的发展概况14-15
• 1.2.2 高速轴承的发展概况15
• 1.2.3 高速陶瓷球轴承的发展概况15-16
• 1.3 滚动轴承疲劳寿命研究概况16-17
• 1.4 轴承滚道表层应力研究概况17-20
• 1.4.1 轴承滚道表层残余应力研究概况17-18
• 1.4.2 轴承滚道表层工作应力研究概况18-19
• 1.4.3 轴承滚道残余应力场与工作应力场耦合研究概况19-20
• 1.5 本文主要研究内容20-21
• 第2章 高速角接触陶瓷球轴承理论分析基础21-31
• 2.1 角接触球轴承的几何学与运动学关系21-23
• 2.1.1 角接触球轴承的几何学关系21-22
• 2.1.2 角接触球轴承的运动学关系22-23
• 2.2 角接触球轴承中的接触压力与变形23-27
• 2.2.1 赫兹接触理论简介23-24
• 2.2.2 角接触球轴承中的接触压力24-26
• 2.2.3 角接触球轴承中的接触变形26-27
• 2.3 角接触球轴承中的润滑与摩擦27-28
• 2.4 角接触球轴承在高速工况下的力学特点28-29
• 2.5 高速角接触球轴承的拟动力学分析模型29
• 2.6 本章小结29-31
• 第3章 高速角接触陶瓷球轴承的拟动力学分析31-45
• 3.1 拟动力学模型的基本假设与轴承的工况参数31
• 3.2 角接触球轴承滚动体与滚道间摩擦力的计算31-34
• 3.2.1 滚动体的自旋运动31-33
• 3.2.2 滚动体与滚道接触面的滑动速度33
• 3.2.3 滚动体与滚道间摩擦力的计算33-34
• 3.3 B7008C轴承拟动力学方程组的建立34-37
• 3.4 拟动力学方程组的求解37-39
• 3.5 拟动力学方程组的结果分析39-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 高速角接触陶瓷球轴承滚道工作应力场分析45-51
• 4.1 有限元模型的建立与网格的划分45-46
• 4.2 边界条件的施加46
• 4.3 工作应力有限元仿真结果分析46-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第5章 高速角接触陶瓷球轴承滚道应力场耦合分析51-63
• 5.1 轴承滚道表层磨削残余应力场特征51-52
• 5.2 轴承滚道表层应力场耦合分析52-59
• 5.2.1 表面残余应力值对轴承滚道表层实际应力场的影响53-55
• 5.2.2 转折点残余应力值对轴承滚道表层实际应力场的影响55-57
• 5.2.3 转折点深度对轴承滚道表层实际应力场的影响57-59
• 5.3 轴承滚道表层残余应力场对轴承疲劳寿命的影响59-61
• 5.3.1 轴承疲劳寿命的计算方法59
• 5.3.2 表面残余应力值对轴承疲劳寿命的影响59-60
• 5.3.3 转折点残余应力值对轴承疲劳寿命的影响60
• 5.3.4 转折点深度对轴承疲劳寿命的影响60-61
• 5.4 本章小结61-63
• 结论63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 学位论文评阅及答辩情况表70

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本文编号：876859