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薄壁四点接触球轴承接触特性研究

薄壁四点接触球轴承接触特性研究

作者：王赞强佛山科学技术学院

学位级别：硕士

薄壁轴承是工业机器人的核心配件,薄壁轴承的运动精度及承载能力的稳定性将直接影响工业机器人的使用性能。本文以薄壁四点接触球轴承为研究对象,使用ANSYS对薄壁四点接触球轴承进行了逐步深入的仿真研究,首先进行静力学分析,接着进行... 详细信息

薄壁轴承是工业机器人的核心配件,薄壁轴承的运动精度及承载能力的稳定性将直接影响工业机器人的使用性能。本文以薄壁四点接触球轴承为研究对象,使用ANSYS对薄壁四点接触球轴承进行了逐步深入的仿真研究,首先进行静力学分析,接着进行振动特性分析、然后进行瞬态动力学分析,最后进行热力耦合瞬态动力学分析以及根据接触特性对该轴承进行结构优化。为工业机器人薄壁四点接触球轴承的结构优化及性能提升提供参考依据。本文的具体研究内容如下:首先,根据Hertz接触理论及ANSYS对薄壁四点接触球轴承的静力学进行分析。分析结果表明:在受径向力作用下,轴承呈现四点接触的受力情况,仿真求解结果与理论值的相对误差为1.07%,验证了本文所建立的仿真模型的正确性。其次,采用ANSYS的模态分析模块对薄壁四点接触球轴承进行模态分析,对比了不同约束状态下薄壁四点接触球轴承的模态频率和模态振型的变化以及进行了共振特性分析。分析结果表明:外圈固定约束下轴承的各阶固有频率以及振动幅值均高于内圈固定时。根据共振转速图分析得出薄壁四点接触球轴承在内圈转速800r/min时,可能会发生一阶激振力频率所引起的共振现象。再次,对薄壁四点接触球轴承进行瞬态动力学分析。分析结果表明:最大的接触应力的位置偏离了径向力垂直作用处与静力学分析的情况有所区别。另外,获取了在瞬态动力学分析时载荷对应力和应变的影响关系。然后,采用ANSYS进行热力耦合分析。分析结果表明:薄壁四点接触球轴承中滚动体的温度最高,其次温度由高到低的部件分别为轴承内圈、外圈和保持架。另外,获取了载荷与转速对温升的影响情况。并将热力耦合与不考虑热力耦合时的动力学特征进行对比分析。最后,根据所得的薄壁四点接触球轴承的特性,采用ANSYS优化模块中的遗传算法功能,以轴承的内圈曲率半径、外圈曲率半径以及滚动体的直径作为优化参数,以轴承的应力与应变作为输出目标进行薄壁四点接触球轴承的结构优化。

关键词：薄壁四点接触球轴承静力学模态分析瞬态动力学热力耦合结构优化

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薄壁四点接触球轴承接触问题有限元分析

机械强度 2018年第2期40卷 405-411页

作者：伍黎姚廷强王立华刘孝保昆明理工大学机电工程学院昆明650500

基于Ansys有限元软件,提出薄壁四点接触球轴承的逐级梯度细化接触区域的单元网格划分方法。建立等截面薄壁四点接触球轴承1/2单个滚动体与套圈及整个轴承有限元模型。计算分析了网格单元尺寸对四点接触球轴承接触特性的计算精度影响,求... 详细信息

基于Ansys有限元软件,提出薄壁四点接触球轴承的逐级梯度细化接触区域的单元网格划分方法。建立等截面薄壁四点接触球轴承1/2单个滚动体与套圈及整个轴承有限元模型。计算分析了网格单元尺寸对四点接触球轴承接触特性的计算精度影响,求解整个轴承有限元模型在静径向力下的载荷分布规律,获得了薄壁四点接触球轴承较为精确的椭圆接触区域形状和四点接触状态。研究表明:对于接触特性计算,网格划分单元尺寸近似于接触椭圆短半轴的50%时便可以得到较精确计算结果,对于薄壁四点接触球轴承,钢球与内、外圈滚道的接触应力、等效应力和接触变形与径向载荷呈非线性递增关系,接触应力大小和载荷分布的计算结果与赫兹接触理论计算值具有较好的一致性。计算结果较为精确的模拟了薄壁四点接触球轴承的接触特性和载荷分布规律。

关键词：薄壁四点接触球轴承赫兹接触网格细化载荷分布

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薄壁四点接触球轴承刚柔耦合多体动力学分析

薄壁四点接触球轴承刚柔耦合多体动力学分析

作者：伍黎昆明理工大学

学位级别：硕士

工业机器人在汽车制造、机械加工及航天航空等领域得到广泛应用。腕部关节动力学特性对工业机器人的平稳性、定位精度以及可靠性等关键的动态性能指标有重要的影响。薄壁四点接触球轴承作为工业机器人的关键配套专用轴承,目前对此类轴... 详细信息

工业机器人在汽车制造、机械加工及航天航空等领域得到广泛应用。腕部关节动力学特性对工业机器人的平稳性、定位精度以及可靠性等关键的动态性能指标有重要的影响。薄壁四点接触球轴承作为工业机器人的关键配套专用轴承,目前对此类轴承的研究仅停留在静力学阶段,无法满足工业机器人配套轴承的研究需求。变速变加速工况下考虑特殊冠型结构保持架的中大型尺寸薄壁四点接触球轴承的动力学特性是工业机器人动力学研究的难点,还处于尝试探索阶段。运用多体动力学方法和有限元方法,考虑轴承特殊冠型结构保持架和中大尺寸薄壁套圈的弹性变形,各部件之间复杂动态接触关系,建立工业机器人用薄壁四点接触球承和腕部关节的刚柔耦合动力学模型。深入分析了薄壁四点接触球轴承和腕部关节的动力学性能和保持架的稳定性以及弹性变形影响等重要问题,为国内此类轴承高性能自主研发提供理论支持。论文的主要研究工作如下:(1)基于Hertz接触理论基础,对薄壁四点接触球轴承的接触应力和接触变形进行理论推导计算,得到点接触问题的基本方程以及载荷分布规律,运用有限元方法建立单滚动体和整个轴承的多体接触静力学模型,讨论网格划分和接触参数的选择对结果计算的影响,分析在不同径向载荷下的四点接触和变形量及载荷分布规律,与Hertz理论计算值对比验证仿真结果的有效性。(2)基于多体动力学方法,利用ADAMS软件建立薄壁四点接触球轴承多刚体动力学分析模型,计算得到薄壁四点接触球轴承特有的运动形式、接触规律及其他动力学特性,分析了不同转速和预紧力等工况下薄壁四点接触球轴承的动力学性能,获得四点接触特性和变化规律。(3)考虑中大型尺寸薄壁套圈和特殊冠型保持架的弹性变形,基于ADAMS/Flex模块和有限元模态分析,建立内外套圈和冠型保持架的柔性体模型。考虑钢球和柔性套圈的四点动态接触关系,建立薄壁四点接触球轴承的刚柔耦合多体接触动力学模型。对比分析了多刚体和刚柔耦合条件下球轴承的动态接触特性,表明弹性变形和动态四点接触作用对中大型尺寸薄壁球轴承的动态接触力的大小和振动位移有不可忽视的影响。(4)建立由腕关节基座,两套薄壁四点接触球轴承和两个空心轴构成的多体接触动力学分析模型,在静力学条件下计算了整个空心轴、套圈和基座的变形结果;对基座及空心轴进行柔性化后,对其整个腕部刚柔耦合多体接触动力学系统进行动力学分析,模拟不同载荷比和正反转变速俯仰运动等变速工况下,薄壁四点接触球轴承的动力学性能及其对腕部关键系统的影响。

关键词：薄壁四点接触球轴承四点接触刚柔耦合动态特性

结构参数对薄壁四点接触球轴承力学性能的影响分析

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机械设计 2021年第7期38卷 7-13页

作者：刘志明姚廷强张育玮成鑫昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500

薄壁四点接触球轴承作为工业机器人传动部件,结构参数是影响其稳定性和寿命的关键因素。文中基于多体动力学与Hertz接触理论,以沟道曲率、径向游隙、滚珠数目为结构参数化变量,运用ADMAS建立参数化动力学分析模型,分析不同结构参数对轴... 详细信息

薄壁四点接触球轴承作为工业机器人传动部件,结构参数是影响其稳定性和寿命的关键因素。文中基于多体动力学与Hertz接触理论,以沟道曲率、径向游隙、滚珠数目为结构参数化变量,运用ADMAS建立参数化动力学分析模型,分析不同结构参数对轴承动力学性能的影响,其结果显示:沟道曲率增加会使滚珠与内圈接触力峰值增加;在径向游隙增加且为正时,滚珠与保持架接触力增加明显,其运转稳定性也越弱;滚珠数目的增加会使保持架质心轴向振动幅值变小,使轴承运转平稳。以上结果为薄壁四点接触球轴承的参数优化提供参考。

关键词：薄壁四点接触球轴承结构参数 ADAMS

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工业机器人用薄壁四点接触球轴承的设计分析

轴承 2010年第6期 6-8页

作者：曾献智王献锋孙立明陈原蔡素然洛阳轴研科技股份有限公司河南洛阳471039 空军驻洛阳地区军事代表室河南洛阳471000

针对工业机器人用薄壁四点接触球轴承特殊的结构和性能要求,从主参数的确定,结构参数的选取以及有限元分析等方面,对该轴承设计上需特殊考虑的问题进行了分析。

关键词：薄壁四点接触球轴承工业机器人设计分析

工业机器人用薄壁四点接触球轴承设计技术研究

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工业机器人用薄壁四点接触球轴承设计技术研究

作者：曾献智河南科技大学

学位级别：硕士

工业机器人用薄壁四点接触球轴承作为工业机器人的关键配套元件,其性能对机器人主机的动作精度、平稳性、灵活性、寿命和可靠性等性能指标起着决定性的作用。为解决目前国内此类轴承尚无成熟设计分析方法的问题,并满足工业机器人主机的... 详细信息

工业机器人用薄壁四点接触球轴承作为工业机器人的关键配套元件,其性能对机器人主机的动作精度、平稳性、灵活性、寿命和可靠性等性能指标起着决定性的作用。为解决目前国内此类轴承尚无成熟设计分析方法的问题,并满足工业机器人主机的配套需要,有必要对工业机器人用薄壁四点接触球轴承设计理论和设计方法进行研究,建立此类轴承的优化设计及分析方法,为国内此类轴承的开发提供理论支持和设计依据。鉴于此,本论文以工业机器人用薄壁四点接触球轴承为研究对象,根据此类轴承的结构特点、工况条件及使用要求,首先,从目标函数选取、约束条件确定和多目标优化设计问题求解方面,对其主参数优化设计方法进行了研究,建立了轴承主参数优化设计的数学模型和求解方法,并编写了优化设计的求解程序;然后,从轴承沟曲率半径系数、挡边高度、沟位置、游隙及性能等方面对其结构参数设计进行了研究,提出了轴承关键结构参数的设计方法;在此基础上,针对典型型号工业机器人用薄壁四点接触球轴承FPXU408-ZRZ,采用ANSYS有限元仿真分析软件,建立空心轴、FPXU408-ZRZ轴承和轴承座这一轴系的整体有限元仿真分析模型,按实际工况条件施加边界条件,对轴承进行了整体有限元分析,完成了此柔性支承轴承载荷分布问题的求解;最后,以Lundberg-Palmgren轴承寿命理论为基础,采用基于轴承实际载荷分布的寿命计算方法,对FPXU408-2RZ轴承寿命进行了精确计算。通过本文的研究,初步建立了工业机器人用薄壁四点接触球轴承主参数和结构参数优化设计方法,弥补了国内此类轴承缺乏设计方法的不足;解决了此柔性支承轴承载荷分布和寿命精确求解问题。有限元分析表明,轴系弹性变形对轴承内部载荷分布状态和寿命有很大影响,采用经典方法求解柔性支承轴承的载荷分布和寿命存在很大的误差,而有限元法可以很好的求解此问题。本文的研究可以为工业机器人用薄壁四点接触球轴承的产品设计和理论分析提供一定的设计依据和理论支持,提高产品的设计分析水平和可靠性。

关键词：薄壁四点接触球轴承优化设计载荷分布仿真分析

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薄壁四点接触球轴承配合接触特性有限元分析

软件导刊 2020年第9期19卷 70-73页

作者：杨斌姚廷强昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500

在实际情况下,薄壁四点轴承与轴承座、轴的配合对薄壁轴承载荷分布、承载能力、轴承刚度有着很大影响。建立腕关节薄壁四点接触球轴承—基座—空心轴构成的轴承系统有限元模型以模拟轴承配合,从而选择最佳配合模型,对实际情况下的轴承... 详细信息

在实际情况下,薄壁四点轴承与轴承座、轴的配合对薄壁轴承载荷分布、承载能力、轴承刚度有着很大影响。建立腕关节薄壁四点接触球轴承—基座—空心轴构成的轴承系统有限元模型以模拟轴承配合,从而选择最佳配合模型,对实际情况下的轴承配合具有指导意义。基于ANSYS有限元软件建立薄壁四点接触轴承不同配合的有限元模型,通过对不同配合模型接触特性进行有限元分析,得出薄壁四点接触球轴承较为精确的椭圆接触区域形状和四点接触状态。对于轴承配合模型H7在内外套圈与空心轴及基座接触时有明显应力集中现象,由于轴承滚珠并非在侧面对称,导致轴承与基座及空心轴在靠近滚珠的一边出现应力集中情况。对不同配合的有限元模型进行静态接触特性分析,发现各轴承配合整体等效应力最大值、外圈等效应力最大值、接触应力最大值、基座等效应力最大值区别不大,选择K7/j7的轴承配合模型才能使轴承内圈与空心轴的最大等效应力最小。计算结果较为精确地模拟了薄壁四点接触球轴承的接触特性和载荷分布规律,对于实际情况下轴承装配具有一定指导意义。

关键词：薄壁四点接触球轴承轴承配合接触特性 ANSYS