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含表面织构的圆柱滚子轴承动力学特性研究

含表面织构的圆柱滚子轴承动力学特性研究

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作者：祁宏伟太原理工大学

学位级别：硕士

随着机械设备的发展,滚动轴承的工作环境越来越复杂,经常会由于摩擦和润滑的原因发生失效。表面织构作为一种界面工程手段,是指在摩擦副表面人为设计具有一定排列规则和特定尺寸的微小结构以改善接触表面的润滑特性。本文将表面织构应... 详细信息

随着机械设备的发展,滚动轴承的工作环境越来越复杂,经常会由于摩擦和润滑的原因发生失效。表面织构作为一种界面工程手段,是指在摩擦副表面人为设计具有一定排列规则和特定尺寸的微小结构以改善接触表面的润滑特性。本文将表面织构应用于圆柱滚子轴承,探索研究了激光表面织构化对轴承接触面摩擦学性能、轴承摩擦力矩和动态特性的影响机理。本研究可为圆柱滚子轴承提供新的设计方法和科学依据,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文首先利用计算流体动力学软件FLUENT对织构化滚道表面的流体动压效应进行了仿真模拟,研究了织构尺寸、形状以及密度对滚动体-滚道润滑膜承载力和摩擦系数的影响,探究了织构化滚动轴承的减摩性能。结果表明:相比于无织构轴承,织构化轴承的轴承承载力有所增大,且摩擦系数降低,表面微织构可明显的改善轴承的润滑特性,且织构对轴承润滑特性的改善效果与织构参数有着很大的关系。其次基于多重网格法和多重网格积分法求解了织构化圆柱滚子轴承有限长线接触弹流润滑模型,通过轴承滚动体与套圈之间的几何趋近量、油膜厚度和弹性变形量三者的耦合关系,迭代求解并建立了轴承动力学参数和织构化表面弹流润滑模型的输入（织构参数、轴承工况参数）之间的映射关系,从而将织构化轴承的弹流润滑模型和正常轴承动力学模型（GUPTA轴承动力学模型）进行融合,构建了完整的织构化轴承动力学模型。在所构建织构化轴承动力学模型的基础上,分析了织构半径、深度等参数对轴承整体摩擦力矩的影响,实现对表面织构化轴承降阻性能的探究。结果表明:织构化圆柱滚子轴承滚道表面在非织构区域油膜压力较正常轴承偏大,而在织构区域油膜压力减小,且随织构参数的变化而变化;织构化轴承在合适的工况参数和织构参数下可有效地降低轴承的摩擦力矩。最后搭建了激光织构化轴承实验平台,通过激光打标机和数控分度旋转台在圆柱滚子轴承的内圈上进行了激光织构化,利用转子-轴承系统模拟试验台测试了不同织构参数下轴承的转矩,验证了上述织构化轴承动力学仿真模型的有效性。进一步分析了表面织构参数对轴承径向振动信号的影响,探究了织构化轴承的减振性能。研究结果表明:激光织构化轴承在合适的转速及微织构形貌参数下可以减小轴承的摩擦力矩,并对轴承的减振性能起到良好的作用。

关键词：表面织构圆柱滚子轴承动力学模型减摩降阻减振

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