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钢丝滚道球轴承的接触应力分析研究

机械设计与制造 2012年第1期 91-93页

作者：张广萍张建斌李红伟孙先涛北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

以某型三轴稳定平台中的钢丝滚道球轴承为例,运用赫兹理论进行接触应力求解,并利用对称性在Ansys环境下建立接触模型仿真分析,将结果对比研究,得出接触体发生塑性变形时,利用Ansys求解相对Hertz理论结果更加准确。有限元分析结果显示接... 详细信息

以某型三轴稳定平台中的钢丝滚道球轴承为例,运用赫兹理论进行接触应力求解,并利用对称性在Ansys环境下建立接触模型仿真分析,将结果对比研究,得出接触体发生塑性变形时,利用Ansys求解相对Hertz理论结果更加准确。有限元分析结果显示接触体的最大接触应力发生于钢丝滚道的表面,有力地阐明了实际工程中轴承在钢丝滚道表面易形成点蚀破坏的机理,为进一步开展钢丝滚道的点蚀及磨损的实验研究提供了理论依据。

关键词：钢丝滚道球轴承接触应力赫兹理论有限元法

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钢丝滚道球轴承的接触特性及失效分析

钢丝滚道球轴承的接触特性及失效分析

作者：郭威哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

钢丝滚道球轴承目前主要用于仿真转台大直径中空轴系,它具有重量小,转动惯量低,支撑刚度高以及尺寸设计灵活等特点。为了适应某些仿真转台研制中关于轴系径向尺寸大,支撑精度,刚度高,转动惯量尽量小,动态特性好等特殊需求,对钢丝滚道球... 详细信息

钢丝滚道球轴承目前主要用于仿真转台大直径中空轴系,它具有重量小,转动惯量低,支撑刚度高以及尺寸设计灵活等特点。为了适应某些仿真转台研制中关于轴系径向尺寸大,支撑精度,刚度高,转动惯量尽量小,动态特性好等特殊需求,对钢丝滚道球轴承的轴向支撑刚度、在工作中的受力状况及轴承因钢丝滚道发生磨损和接触疲劳而失效的研究是十分必要的。首先本论文在假设赫兹理论成立的基础上对钢丝滚道球轴承的轴向接触刚度及在中心轴向外载荷作用下发生卸荷现象的临界条件进行了理论分析,并且研究了二者与预紧量的选取的关系。考虑到钢丝滚道球轴承通常是由于滚道钢丝发生磨损及疲劳点蚀破坏而导致失效,因此对轴承的滚动体与钢丝滚道的接触区内的微滑现象进行理论分析,并且根据粘着磨损理论估算了由接触区内各点的微小相对滑动而产生的单位时间的磨损量;同时由于钢丝滚道与滚动体的接触表面下的最大剪切应力分布对接触疲劳有重要影响,所以本文分别对作用于钢丝滚道的接触表面下的最大静态、动态剪应力的分布进行了分析。在对钢丝滚道球轴承进行的各项理论分析中,均针对轴承采用钢制滚动体和采用陶瓷制滚动体的两种情况分别进行了研究,将轴承在采用钢制滚动体时的各项性能与在采用陶瓷滚动体时的相应的性能进行了对比分析,所得结果对实际工程设计及应用均具有良好的指导意义。在理论分析的同时,利用有限元仿真方法,建立了采用钢制滚动体时的钢丝滚道球轴承的简化有限元模型,对轴承的静态轴向接触刚度与最大静态剪切应力分布进行了分析,并利用子模型技术建立了与所分析问题相对应的静态的子模型,使有限元分析结果更为精确,最后将有限元分析结果与理论分析结果进行对比。

关键词：钢丝滚道球轴承轴向接触刚度卸荷微滑磨损剪应力

钢丝滚道球轴承的预紧与支承刚度理论及实验研究

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钢丝滚道球轴承的预紧与支承刚度理论及实验研究

作者：卜祥艳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,钢丝滚道球轴承(Wire race ball bearing, WRBB)作为一种新型的非标准轴承具有回转精度高、转动惯量小、承载能力强以及尺寸设计灵活等优点已被广泛地应用于各个行业和领域。本文研究的某型号飞行器仿真转台中WRBB要求有高的定... 详细信息

近年来,钢丝滚道球轴承(Wire race ball bearing, WRBB)作为一种新型的非标准轴承具有回转精度高、转动惯量小、承载能力强以及尺寸设计灵活等优点已被广泛地应用于各个行业和领域。本文研究的某型号飞行器仿真转台中WRBB要求有高的定位精度、支承刚度和低的摩擦力矩。基于此本文对WRBB轴系的预紧量控制、支承刚度进行了理论与实验研究。本文首先针对采用测定轴承摩擦起动力矩的方法来控制WRBB的预紧量问题进行了研究。在对轴承摩擦力矩产生机理研究的基础上,基于弹性滞后理论、微滑窄带理论、琼斯滚道控制理论和叠加原理,建立了摩擦起动力矩与预紧量关系的数学模型;在对WRBB起动时空间力系分析的基础上,基于库仑滚动摩阻定律和空间力偶等效定理,建立了滚动摩阻起动力矩与预紧量关系的数学模型。以某型号飞行器仿真转台中的WRBB为实例,通过MATLAB?编程求解绘制出两种数学模型的理论曲线。设计了起动力矩实验测量方案,组建了实验测量系统,验证了上述两个数学模型的正确性,实现了通过测量摩擦起动力矩的方法来控制预紧量,有效地解决了WRBB轴系预紧量控制问题。WRBB应用于三轴仿真转台大尺寸主轴轴系中,是主要的承载元件,并且主轴系统的振动特性及运转稳定性都与轴系的支承刚度有着极为密切的关系。因此,本文在对WRBB复杂轴承系统力学模型简化的基础上,应用赫兹接触理论、虚位移原理、余弦定理、洛必达法则、载荷分布理论,分别建立了WRBB轴向、径向以及翻转支承刚度的数学模型。设计了支承刚度实验测量方案,研制了轴向、径向、翻转加载装置,并组建了上述支承刚度的实验测量系统,验证了支承刚度数学模型的正确性,为工程实际应用提供了参数依据。

关键词：钢丝滚道球轴承预紧起动力矩支承刚度

钢丝滚道球轴承点接触问题分析与运动过程有限元仿真

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钢丝滚道球轴承点接触问题分析与运动过程有限元仿真

作者：肖晓哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

钢丝滚道球轴承具有重量轻,转动惯量低,轴向尺寸小,径向尺寸大,支撑刚度高等特点,常用于支撑大口径中空轴系。为了适应某些仿真转台研制中关于刚度高,转动惯量尽量小,动态特性要求高等特殊要求,研究钢丝滚道球轴承的轴向支撑刚度,轴系... 详细信息

钢丝滚道球轴承具有重量轻,转动惯量低,轴向尺寸小,径向尺寸大,支撑刚度高等特点,常用于支撑大口径中空轴系。为了适应某些仿真转台研制中关于刚度高,转动惯量尽量小,动态特性要求高等特殊要求,研究钢丝滚道球轴承的轴向支撑刚度,轴系调整方式及调整量,以及该轴承在工作中的受力及应力状况十分必要。本论文首先对钢丝滚道球轴承滚动体与钢丝滚道的点接触问题进行研究,由Hertz接触理论给出接触区的主要几何参数,应力极值以及接触体弹性趋近量的计算公式,并根据实际应用进行简化,计算出课题所研究轴承接触区的主要参数。在对钢丝滚道球轴承点接触理论分析计算的基础上,进行了对钢丝滚道球轴承的主要摩擦形式分析,给出了轴承在工作过程中几种主要的摩擦产生形式,并给出相应的理论计算公式。在点接触和摩擦分析的基础上,对轴承的工作过程进行了仿真,按由简单到复杂的研究步骤,分别建立起了单球双滚道,单球四滚道和圆环形滚道单球四滚道的钢丝滚道球轴承有限元模型,解决了建模仿真过程中实体模型的建立,约束和载荷的施加等一系列问题。得到了施加预紧和工作过程中的压力情况,摩擦应力,弹塑性变形和应力分布云图等,并对结果进行了深入的比较和分析。对实际工程设计及应用具有良好的指导意义。

关键词：钢丝滚道球轴承 Hertz接触理论轴承摩擦有限元仿真

钢丝滚道球轴承接触特性与支承刚度理论及实验研究

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钢丝滚道球轴承接触特性与支承刚度理论及实验研究

作者：钟德富哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为一种非标准轴承，钢丝滚道球轴承具有刚/惯比大、回转精度高、抗倾覆能力强以及结构设计灵活等特点，因此，被广泛地应用于大型雷达天线、飞行器仿真转台和医疗器械等精密装备。它能承受轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩及其组成的复... 详细信息

作为一种非标准轴承，钢丝滚道球轴承具有刚/惯比大、回转精度高、抗倾覆能力强以及结构设计灵活等特点，因此，被广泛地应用于大型雷达天线、飞行器仿真转台和医疗器械等精密装备。它能承受轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩及其组成的复合载荷，但外部载荷往往会在钢丝滚道表面形成循环交变接触应力，导致磨损、点蚀产生，甚至剪切失效，严重影响设备的正常运转。因此，对轴承载荷分布和刚度的研究十分有必要。首先，本文研究了轴承预紧量与接触载荷、接触变形之间的关系，在预紧接触变形的基础上，根据非协调性Herz接触理论、余弦定理和洛必达法则，建立了轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩载荷对应的载荷分布模型。以某型号飞行器仿真转台中的钢丝滚道球轴承为实例，运用MATLAB编程求解载荷分布模型，得到了载荷分布规律、最大接触力，分析了钢球数目及轴承接触角对最大接触力的影响。其次，本文在轴承载荷分布特性研究的基础上，根据叠加原理和刚度的定义，建立了五自由度复合载荷作用下，钢丝滚道球轴承刚度矩阵数学模型，推导刚度矩阵的表达式，提出了刚度矩阵数值计算方法，以某型号飞行器仿真转台中的轴承为例，给出了刚度矩阵数值结果。最后，为了验证轴承刚度矩阵数学模型的正确性，设计了轴承刚度实验测量方案，搭建了轴承轴向刚度、径向刚度及翻转刚度实验测量系统。实验中，测量不同外部载荷对应的轴承内外环框架之间的相对位移，根据刚度的定义得到刚度实验结果。理论与实验结果对比表明：随着载荷的增大，轴向刚度、径向刚度略微减小，径向刚度近似线性的增大，框架变形、塑形变形及加载方式对轴承刚度实验影响较大，实验研究将为工程实际应用提供参数依据。

关键词：钢丝滚道球轴承非协调性Herz接触载荷分布接触变形刚度矩阵

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钢丝滚道球轴承接触问题有限元分析

机械工程师 2007年第6期 78-79页

作者：谢涛郭威哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

运用ANSYS有限元仿真软件以及古典Hertz接触理论,对实际工程中的钢丝滚道球轴承的接触问题进行研究,通过对ANSYS有限元分析得到的接触应力结果与Hertz接触理论推导公式计算的结果进行比较,验证了用ANSYS有限元软件分析钢丝滚道球轴承接... 详细信息

运用ANSYS有限元仿真软件以及古典Hertz接触理论,对实际工程中的钢丝滚道球轴承的接触问题进行研究,通过对ANSYS有限元分析得到的接触应力结果与Hertz接触理论推导公式计算的结果进行比较,验证了用ANSYS有限元软件分析钢丝滚道球轴承接触问题的可行性。

关键词： ANSYS有限元分析 Hertz接触理论钢丝滚道球轴承接触应力

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钢丝滚道球轴承的点接触问题有限元仿真

哈尔滨轴承 2006年第3期27卷 10-13页

作者：单小彪谢涛哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

以某型飞行器三轴仿真转台主轴轴系中的钢丝滚道球轴承为例,通过ANSYSR对该滚珠-滚道间的非协调性接触问题进行有限元建模与仿真,发现最大接触应力发生在钢丝滚道的表面,而滚珠的最大接触应力发生在其接触面正下方短距离内。有限元分析... 详细信息

以某型飞行器三轴仿真转台主轴轴系中的钢丝滚道球轴承为例,通过ANSYSR对该滚珠-滚道间的非协调性接触问题进行有限元建模与仿真,发现最大接触应力发生在钢丝滚道的表面,而滚珠的最大接触应力发生在其接触面正下方短距离内。有限元分析结果有力地阐明了点蚀易在钢丝滚道接触表面形成并逐渐扩展的机理。本文的工作为进一步开展钢丝滚道的点蚀及磨损的实验研究提供了理论依据。

关键词：三轴转台钢丝滚道球轴承接触问题非协调性接触有限元分析

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针织圆纬机钢丝滚道球轴承模型建立与仿真

针织圆纬机钢丝滚道球轴承模型建立与仿真

作者：王付杰长安大学

学位级别：硕士

钢丝滚道球轴承具有重量轻,转动惯量低,结构设计灵活,承载能力大,回转精度高等特点,常用于大直径回转机构。针织圆纬机的针筒回转直径大，整体结构紧凑,且要求回转精度、刚度、平稳性高,转动惯量小,钢丝滚道球轴承在其上应用广泛,研究... 详细信息

钢丝滚道球轴承具有重量轻,转动惯量低,结构设计灵活,承载能力大,回转精度高等特点,常用于大直径回转机构。针织圆纬机的针筒回转直径大，整体结构紧凑,且要求回转精度、刚度、平稳性高,转动惯量小,钢丝滚道球轴承在其上应用广泛,研究钢丝滚道球轴承受力、变形,对减小轴承磨损,提高产品质量有着十分重要的作用。本论文通过对滚动轴承的基本参数进行分析,获得了钢丝滚道球轴承的基本结构参数,并利用Hertz接触理论求取出接触区的应力、应变极值以及接触体变形量的计算公式,计算出课题所研究的钢丝滚道球轴承模型接触区的主要参数,以便对其接触问题进行研究。根据针织圆纬机生产和维修过程中所遇到的实际情况，对钢丝滚道球轴承的主要摩擦形式加以分析,给出了轴承在工作过程中主要的摩擦形式。在Hertz接触理论条件和摩擦分析的基础上：提出简化条件,按由简单到复杂的研究步骤,在UG中,分别建立起了简化单球直滚道轴承模型、圆纬机实际结构的单球直滚道、单球圆形滚道的钢丝滚道球轴承有限元模型,使用NX NASTRAN进行解算,对轴承进行了静态状况的仿真,解决了建模仿真过程中实体模型的建立,约束和载荷的施加等一系列问题,得到了施加载荷后的各接触环节的变形情况、压力情况、弹塑性变形和应力分布云图等,并对结果进行了分析,获得了与实际磨损状况的分析结果相一致的仿真效果，说明模型在合理性、真实性等方面有着很好的效果,可直接用于分析、指导工程实践,为针织圆纬机和其他工程领域的实际应用提供了良好的分析方法。

关键词：针织圆纬机钢丝滚道球轴承 Hertz接触理论有限元仿真

基于边界元法的钢丝滚道球轴承的理论及实验研究

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基于边界元法的钢丝滚道球轴承的理论及实验研究

作者：李亚煜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

钢丝滚道球轴承作为一种非标准轴承,具有重量轻,转动惯量低,支撑刚度高以及尺寸设计机动灵活等特点。在实际使用过程中发现作为滚道的钢丝易发生破坏,而造成钢丝破坏的主要原因之一就是滚动体与钢丝在接触过程中相互碾压而发生的弹塑性... 详细信息

钢丝滚道球轴承作为一种非标准轴承,具有重量轻,转动惯量低,支撑刚度高以及尺寸设计机动灵活等特点。在实际使用过程中发现作为滚道的钢丝易发生破坏,而造成钢丝破坏的主要原因之一就是滚动体与钢丝在接触过程中相互碾压而发生的弹塑性变形。由于摩擦力的存在和钢球在滚动过程中有自旋、蠕滑等情况发生,采用传统的Hertz接触理论很难对其真实的接触情况进行计算和分析。因此,寻找一种更为精确、合理的方法对滚动体与钢丝的接触情况进行研究便显得尤为重要。本文采用一种基于迭代技术的边界元法求解钢丝与滚道的三维摩擦型弹性接触问题。利用广义格林公式和基本解得出弹性问题的边界积分方程,采用循环迭代的方法,通过寻求与接触条件相协调的接触边界位移及面力增量来确定接触区域的大小。由于摩擦的存在,考虑到加载历程的不可逆性,本文采用模拟外部荷载增量的方法来追踪加载历程。建立了1/4钢丝与1/8滚动体的接触模型,同时使用四边形八节点单元和三角形六节点进行单元划分,并形成了接触点对。针对奇异积分分别采用退化单元法和解析积分公式进行计算,给出了相应的退化单元划分方法,推导了积分公式的解析式。采用Matlab语言编制了三维摩擦型弹性接触问题的通用边界元程序,对钢丝滚道—钢球扩展型接触问题进行了数值计算,得到了接触应力和接触变形的三维分布以及接触区域的大小。与Hertz理论计算结果进行比较证明了本文方法的有效性与精确性。设计并加工了钢丝滚道球轴承接触实验装置,分别采用半径为6.747mm和7.144mm的钢球以及半径为7.144mm的陶瓷球进行实验,使用LVDT测微仪对接触变形进行了测量。将测得的接触变形值与Hertz理论和本文所介绍的边界元数值方法计算结果进行比较,绘出了对比曲线。实验表明,边界元方法比Hertz理论计算结果更加接近实际测量值;采用陶瓷球进行实验时钢丝的接触变形比采用钢球时有明显的减小,且接触压力越大差值越大,这为以后研究新型材料代替钢丝滚道球轴承中的钢球和滚动体以提高轴承寿命提供了事实依据。

关键词：钢丝滚道球轴承边界元法接触问题