组合轴承疲劳寿命预测分析研究

作     者：向如 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯定;施雷

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：组合轴承 疲劳寿命 动力学 预测 

摘      要：井眼轨迹控制工具组合轴承作为工具主轴的关键支撑零部件,其疲劳寿命直接影响工具的工作性能。本文以两副推力调心滚子轴承和一副调心滚子轴承形成的球面调心组合轴承为研究对象,分别采用静力学和动力学分析方法研究了不同的载荷作用下,滚子与滚道的接触载荷,分析了载荷与结构因素对组合轴承寿命的影响,并将两种方法分析所得的组合轴承寿命进行了对比分析,研究内容如下:分析了组合轴承在工具中的作用,结合原理样机中的组合轴承实物,忽略了非关键尺寸,建立了组合轴承几何模型;在静力学分析过程中,考虑组合轴承两侧碟形弹簧的影响,分析了组合轴承所受轴向力与碟形弹簧压缩量之间的相互关系,建立了组合轴承物理模型;采用Stribeck最大滚动体载荷估算公式以及Palmgren轴承位移估算公式,研究了组合轴承内部各个轴承的载荷,建立了组合轴承数学模型;通过假设组合轴承中各轴承径向位移相同,建立了组合轴承位移协调条件,探讨了轴向位移与径向位移的关系。采用单一变量法,通过Matlab计算了组合轴承内部各载荷的关系,研究了结构参数(碟形弹簧类型、碟形弹簧预压缩量及调心滚子轴承径向游隙)对内部载荷的影响规律,为疲劳寿命计算分析奠定基础。根据组合轴承的实际工作状态,采用达朗贝尔原理,建立了组合轴承的动力学分析模型,建立了各轴承的动力学方程组。采用ADMAS仿真软件,对组合轴承整体进行了动力学仿真分析,设置轴承内外圈为刚体,得到了滚动体的载荷分布图,研究了外加载荷和转速大小对轴承滚动体载荷的影响规律。采用定量分析方法,研究了组合轴承内部各轴承的载荷分布规律,结果表明,组合轴承内部各轴承所承受的载荷存在一定的波动,但整体趋于稳定,跟实际运动受力状态较为吻合。基于组合轴承寿命的Weibull分布和轴承的疲劳寿命标准计算方法,采用概率乘积定理建立了组合轴承疲劳寿命计算模型。同时,分别基于静力学分析结果和动力学分析结果探讨了组合轴承的疲劳寿命。采用静力学分析结果研究组合轴承疲劳寿命时,研究了预压缩量、径向游隙两个结构参数对轴承疲劳寿命的影响,得到了最优的预压缩量和径向游隙。模拟组合轴承的实际工作状态和变载荷影响,采用动力学分析结果研究组合轴承疲劳寿命,研究了变载荷下疲劳寿命变化趋势以及载荷和转速对寿命的影响。最后将静力学和动力学分析所得组合轴承疲劳寿命进行了对比分析,结果表明采用静力学方法得出的组合轴承疲劳寿命较高,采用动力学方法得出的组合轴承疲劳寿命由于考虑了离心力和振动冲击的影响,其结果更加符合实际。本文的研究成果可用于井眼轨迹控制工具组合轴承的设计、分析与仿真,提出的结合动力学的组合轴承疲劳寿命预测方法,可用于预测和分析组合轴承的疲劳寿命,有较强的工程实际意义。