高速混合陶瓷球轴承分析与优化设计

发布时间：2020-06-08 06:39

【摘要】：高速化是机械产品重要发展方向之一。而实现高速化的关键基础部件之一就是高速球轴承。在高速工况下,球快速增加的离心力和摩擦生热极大的限制了钢球轴承的最高转速。混合陶瓷球轴承(用氮化硅陶瓷球替代钢球)则能突破该限制。 陶瓷与钢的材料性能相差悬殊,混合陶瓷球轴承和钢球轴承在高速工况下的运转性能差异很大,常规疲劳寿命和热分析方法基于多年来大量轴承试验建立了一系列经验公式,这些经验公式不能很好的适应材料和高速工况的变化。另外,针对钢球轴承的常规设计已不能充分发挥出陶瓷球轴承的优越性。 本文首先将Ioannides-Harris理论应用于高速混合陶瓷球轴承疲劳寿命的计算中。用有限元法中的子模型技术精确求解Ioannides-Harris理论所需的球-滚道接触表面及次表面应力场。然后用二维插值法简化疲劳寿命的计算。 接着用有限元法仿真高速混合陶瓷球轴承运转,获取计算轴承摩擦功率所需的动力学参数(包括球与内外圈接触载荷、接触角、自旋角速度等)。将这些摩擦功率作为热源加载于轴承温升有限元模型对轴承进行热分析。结果显示,轴向载荷和内圈转速对球在内圈自旋摩擦功率影响显著,而对球在外圈自旋摩擦功率和球在外圈差速滑动摩擦功率影响不大。轴向载荷和内圈转速对内圈和球的温升影响显著,而对外圈影响不大。 然后建立高速混合陶瓷球轴承多目标优化模型,针对高速混合陶瓷球轴承的特点,选取疲劳寿命、自旋摩擦功率和轴向刚度等作为目标函数。针对混合陶瓷球轴承的三个目标函数都是隐函数的特点,采用非劣排序遗传算法-II求解混合陶瓷球轴承多目标优化问题。在优化过程中,采用自适应赋初值法解决了拟动力学程序里不同非线性方程组求解时的赋初值难问题。 最后以四种型号混合陶瓷球轴承为算例,分析多目标优化结果中的Pareto最优前端、优化解集中各设计变量的分布规律。对比分析钢球轴承的当前设计、陶瓷球轴承的当前设计和陶瓷球轴承优化设计的目标函数随工况的变化规律。结果显示,当优化设计与当前设计的额定寿命相等时,优化设计的自旋摩擦功率约等于或略小于当前设计。当优化设计与当前设计的自旋摩擦功率相等时,优化设计的额定寿命大于或约等于当前设计。四种型号轴承所有优化设计的轴向刚度均优于(大于)当前设计。
【图文】：

小的计算代价获得比选用 C3D8R 单元更精确的应力仿真结果，因而只定义接触局部区域单元类型为 C3D8I。值得注意的是使用非协调单元时需使单元内夹角尽可能接近直角，，这样有助于获取高的计算精度。图2-3为划分网格后模型示意图。图 2-3 球-滚道接触模型网格及其局部放大XZ

创建与定义类型为子模型（Submodel）的边界条件
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH133.3

【参考文献】

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本文编号：2702692