钢丝滚道球轴承的接触力学特性及其相关技术研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

摘 要 摘 要 - - I - 摘 要 近 10 来年，钢丝滚道球轴承（Wire race ball bearing, WRBB）以其径向 尺寸大、轴向尺寸小的结构特点，被广泛地应用于大型雷达天线和飞行器仿 真转台等国防科技领域、数控回转工作台、建筑机械、医疗器械以及纺织工 业。它被认为是具有高刚惯比和高抗倾覆能力的轴系支承系统技术，已经成 为解决许多存在几何空间限制、质量约束和惯量约束的工程设计与制造等方 面问题的优选方案。该类轴系支承可同时承受轴向载荷、径向载荷、倾覆力 矩及其组成的多种形式的复合载荷。然而，接触体间循环交变的接触应力及 残余不平衡力矩往往导致疲劳、磨损及点蚀在钢丝滚道表面发生，影响系统 的运转平稳性和回转精确度。针对该现象国内外目前相关研究不足。因此， 本文提出将其视为接触问题进行对待，运用接触力学、摩擦学和材料学知 识，采用解析法、弹 -塑性有限元法及试验，考虑 几何非线性、材料非线 性、复合载荷分布以及摩擦等接触边界条件，对 WRBB 轴系的预紧、支承 刚度和接触破坏进行全面研究。 适当的预紧有利于提高轴系的支承刚度；过大的预紧导致塑性变形和接 触破坏；故 WRBB 的预紧是首先需要研究的内容。 为了克服相关行业目前 WRBB 轴系预紧的调试方法极其依赖工程师个 人经验的问题，本文对其轴系进行力学分析，然后基于非协调性 Hertz 接触 理论建立了确定其轴系预紧量范围的数学模型，通过 MATLAB?编程形成一 套数值计算方法。数值求解得到了法向接触力、接触变形、最大接触压力以 及椭圆形接触区域的长、短半轴，并获得了 WRBB 轴系预紧量合理的范 围。以某型号飞行仿真转台中直径为 1000mm 的 WRBB 为例，组建了预紧 测量系统，实验结果与理论结果吻合良好。 为了能够准确定位并确定 WRBB 轴系的预紧量，本文在对其轴系的空 间力系进行分析的基础上，基于库伦定律、滚动摩阻定律和空间力偶等效定 理，建立了其起动力矩与预紧量关系的数学模型。通过 MATLAB?编程并进 行数值求解，得到该数学模型的理论曲线。此后通过实验系统对理论结果进 行了实验验证，获得了良好效果，为实际工程中 WRBB 轴系预紧量的调节 与控制提供了有效的方法。 刚度计算是振动理论和结构稳定性分析的重要环节，研究大型 WRBB 的刚度特性对提高其使用性能具有实际意义。为此，本文首先对 WRBB 的 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - - II - 接触载荷分布进行了分析，然后根据非协调性 Hertz 接触理论、虚位移原 理、余弦定理、极限定理中的洛必达法则、刚度和柔度的数学定义以 及 Stribeck 的载荷分布理论分别建立了 WRBB 的轴向支承刚度、径向支承刚度 和翻转支承刚度的数学模型。分别设计了加载机构并组建了轴向支承刚度、 径向支承刚度和翻转支承刚度的测量系统，实验验证了上述支承刚度数学模 型的正确性。对理论与实验结果进行对比和分析，获得了良好效果， 为 WRBB 今后进一步的接触动力学分析奠定了基础，为工程实际提供了参数 依据。 接触问题的求解是一个高度非线性且相当耗费计算资源的问题。常规接 触分析的方法主要基于经典 Hertz 弹性接触理论，而且未考虑接触体的几何 与材料非线性。因此，本文充分考虑接触体的几何与材料非线性，在 Instron-5569 万能电子拉伸机上测得工程 中常用的两种钢丝（牌号均为 T8MnA；一种是国产质地偏软的，称其为I号钢丝；另一种是日本进口质地 偏硬的，称其为 II号钢丝）的应力 -应变曲线。然后，在 ANSYS? 中运用 APDL 语言建立了球-钢丝滚道的 3D 接触子模型，对 I 号钢丝-钢球、II 号钢 丝-钢球、I 号钢丝-Si3N4 陶瓷球以及 II 号钢丝-Si3N4 陶瓷球 4 种接触模型的 弹-塑性接触分析进行了求解，得到了接触体的 von Mises 应力、弹性应变、 塑性应变以及接触斑的形状和尺寸。最后，与弹性接触分析的结果进行了对 比。结果表明：(1)考虑接触体的应力-应变曲线的弹-塑性接触分析的结果比 不考虑应力-应变曲线的纯弹性接触分析的结果更接近实际；(2)采用子模型 技术和多尺度有限元分网方法有效地节约了接触分析的计算成本，提高了计 算效率和求解精度。 另外，目前尚不明确接触载荷、接触体的几何尺寸和材料属性参数对接 触特性的影响关系以及接触体的磨损及点蚀的特征和规律。鉴于此，本文首 先分析了接触载荷、接触体的几何参数和材料属性参数对接触特性的影响关 系。然后，分别对钢球-I 号钢丝、钢球-II 号钢丝、Si3N4 陶瓷球-I 号钢丝和 Si3N4 陶瓷球-II 号钢丝 4 种接触方式进行了接触破坏试验。最后，对接触区 用扫描