自润滑向心关节轴承失效机理及寿命评估方法研究

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1、1西北工业大学博士学位论文2西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：自润滑向心关节轴承失效机理及寿命评估方法研究作者：卢建军学科专业：机械设计及理论指导教师：邱明教授2017年9月3西北工业大学博士学位论文4StudyonFailureMechanismsandLifeEstimationMethodsofSelf-LubricatingRadialSphericalPlainBearingsByLuJian-junUndertheSupervisionofProfessorQiuMingADissertati

2、onSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringXi’anP.R.ChinaSeptember20175西北工业大学博士学位论文6摘要摘要自润滑向心关节轴承广泛应用在航空、航天等高科技领域，其寿命的精确预测对设备的安全使用具有重要的意义。目前大多轴承厂家对该类轴承的寿命预测仅考虑旋转摆动，对倾斜摆动和复合摆动缺少详细的研究，仅INA

3、公司提出不同摆动方式下轴承等效摆角的计算方法；但由于考虑的因素不同，对同一尺寸轴承,根据不同公式计算的寿命存在很大差异。现有文献对该类轴承在不同摆动方式下的失效机理也缺乏研究。本文以摩擦副为钢/PTFE织物衬垫的自润滑向心关节轴承为研究对象，结合轴承的不同摆动方式，进一步探讨轴承的失效机理，并对轴承寿命评估方法进行研究。本文的研究对了解刚柔球面接触副向心关节轴承失效机理，准确评估该类轴承寿命，以及延长该类轴承正常工作时间具有重要的理论指导意义。主要研究成果如下：（1）利用ABAQUS有限元分析软件，建立自润滑向心关

4、节轴承三维分析模型，可以模拟关节轴承内圈的旋转、倾斜和复合摆动。有限元分析结果表明：即使轴承仅仅承受恒定径向载荷，在衬垫接触区也会出现锯齿形周期性接触压力分布。在不同摆动方式下，接触压力的大小及分布规律不同。运动方向、摩擦力和磨损深度均可引起倾斜和复合摆动下衬垫高接触压力区和大变形区在衬垫边界区域的偏斜分布，以及旋转摆动下高接触压力区和大变形区在衬垫圆周方向的偏斜分布，并且压力和变形的幅值以及偏斜方向在运动时不断变化。结合试验，揭示了轴承不同摆动方式下衬垫的纤维蠕变断裂机理、摩擦面的疲劳磨损机理和冲击损伤机理，以及

5、衬垫疲劳失效行为特征。（2）基于轴承自润滑衬垫的微观编织结构，根据粘接剂含量的不同建立2种PTFE/芳纶织物衬垫的物理磨损模型。基于细观力学和复合材料力学，提出磨损过程中衬垫弹性常数的计算方法，得到磨损过程中衬垫的弹性常数在衬垫主方向和偏轴方向的变化情况。基于向心关节轴承有限元分析，研究衬垫弹性常数和磨损深度的变化分别对衬垫表面接触压力的影响。有限元分析结果表明，相对于弹性常数的改变，磨损深度的增加对衬垫表面接触压力的影响更大，能产生较大的接触压力。对使用粘接剂含量不同衬垫的自润滑向心关节轴承进行旋转摆动下的加速寿

6、命试验，试验结果验证了衬垫物理磨损模型的可靠性；衬垫磨损模型和有限元分析结果能较好地揭示衬垫的失效机理，并且发现衬垫粘接剂含量对向心关节轴承摩擦学性能有较大影响。（3）根据组合磨损理论，在复合摆动工况下，对向心关节轴承进行运动分析、受力分析和磨损量分析，推导出新的解析式轴承寿命计算公式，并提出计算方法，可计算向心关节轴承在旋转、倾斜和复合摆动下的磨损寿命。在工况参数K值相同，压力指数m和速度指数n满足m=n=1假设情况下，改变工况，通过算例计算，研究不同摆动方式下轴承磨损寿命比随摆角和摆频的变化情况，计算结果与已有

7、理论计算结果接近。重点对比考察不同摆动方式下磨损率随摩擦系数的不同而表现的不同变化特征，并据此简化磨I西北工业大学博士学位论文损率计算公式。o（4）利用向心关节轴承复合摆动寿命试验机，在载荷P=22kN以及摆角为α=β=±6工况下，以摆频为加速应力，对某型号自润滑向心关节轴承进行无替换定数截尾恒载加速寿命试验。在寿命威布尔分布假设和逆幂律加速模型基础上，利用最好线性无偏估计法（BLUE）推导关于摆频的加速寿命方程；并研究不同摆动方式下轴承寿命分布规律及威布尔分布可靠性。结果表明，在相同载荷和摆频下，关节轴承在旋转摆

8、动下的寿命最高，在复合摆动下最低，并且发现寿命试验结果与根据已有理论寿命公式计算的轴承寿命差别较大。此外，考察了轴承寿命威布尔分布假设下最大似然估计法对寿命分布参数进行估计的方法。（5）结合INA公司提出的等效摆角计算方法，根据SKF寿命模型和JB/T8565-2010寿命模型估算轴承寿命，对比分析摆频、径向载荷和摆角分别对轴承在不同摆动方式下的寿命估算值的