角接触球轴承.doc

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1、角接触球轴承打滑行为的非线性动态模型QinkaiHan,FuleiChu.TheStateKeyLaboratoryofTribology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China.摘要：用一个三维非线性动态模型来预测复合载荷组合条件下角接触球轴承的打滑行为。该模型考虑了钢球的自转和公转引起的离心力和陀螺效应、钢球与内外圈之间的赫兹接触变形、钢球与保持架之间的非连续接触以及弾流动体润滑。通过对试验结果的比较，验证了该动态模型正确性。在此基础上，讨论了在复合载荷作用下，轴承钢球滑动速度随时间和位置的变化规律。该模型表明，径向载荷的变化将使钢球在内外圈之间

2、的的滑动速度产生波动，对低负载区域的钢球影响更大。增加径向负荷将大幅增加滑移速度的幅度和范围，使打滑更加严重。当钢球在低载区时，大的滑动速度会使轴承和润滑油的温度升高，加剧轴承磨损，缩短轴承的使用寿命。因此，在旋转工件的设计和检测中应考虑径向载荷。1.导论：角接触球轴承是许多旋转机械的核心支撑部件，其动态特性对整个设备的使用性能、运行可靠性和使用寿命起着决定性的作用。轴承在运行过程中，滚道应为钢球提供足够大的摩擦力和摩擦力矩，以确保钢球处于纯滚动状态。否则，滚动体和内、外滚道之间可能会出相对滑移。随着现代旋转机械的高速化、重载化，轴承的滑动将使轴承和润滑油的温度升高，从而加速轴承磨损。如

3、果轴承早期就开始打滑，它可能会导致轴承寿命减少，甚至更严重的事故。因此，当前准确预测滚动轴承的打滑行为并提出防滑设计准则是很重要的问题。哈里斯[1,2]已经在这方面做了开创性的工作。基于沟道控制理论和准静态学，哈里斯[1,2]建立了用于高速角接触球轴承的滑行预测模型。该模型考虑了滚动体的各种受力情况（包括：接触力，摩擦力，流体力和离心力等），还考虑了轴向载荷、旋转速度、滚动体的数量对打滑的影响。LiaoandLin[3]在几何约束条件和受力平衡中考虑了每一个滚动体受到的接触力和每一个滚动体的接触角。希拉诺[4]打滑的评判标准中分析了在轴向和径向负荷下钢球和滚道的打滑。此外,他们还研究了热

4、效应引起的钢球滑动[5]。基于准动态分析，Jiangetal.[6],Cuietal.[7]andYuanetal.[8]等提出了估计防止轴承打滑的最小轴向载荷的经验公式。最近，Chenetal.[9,10]提出推力球轴承在固体润滑条件下的准静态模型。该理论构想了一种用于准确界定钢球与内外圈之间相对运动的滑动比和旋滚比。它表明，钢球与滚道的密切接触引起的滑差使滑动和接触力分布不对称。Xuetal.[11]建议用预载分析法作为球轴承的滑动准则。实验结果表明采用最佳预紧力的轴承具有良好的温度特性。Chenetal[12]等人对高速旋转的轴承进行准静态打滑分析，发现钢球自转挤压油膜对打滑和轴承

5、疲劳寿命有不利的影响。上述的大多数分析是在稳态条件下采用静态/动态模型来研究打滑行为和防滑判据。实际上，滚动轴承上经常被施加动载荷，滚动体和保持架之间的接触和碰撞是不可避免的。这些因素往往造成滑移随时间和空间的变化。显然，基于静态模型的稳态分析很难准确地描述和预测滚动体打滑的行为。因此，发展动态分析方法在当前得到了广泛关注。采用动态法，古普塔[13]首先建立微分方程来模拟一个推力球轴承在弹流润滑条件下钢球的瞬时运动。奥斯滕森等人[14]建立了轴承运动的动力学模型，并对轴承运动进行了仿真模拟，并与测量结果进行比较。他们发现，卸载区的滑动主要受局部润滑剂分布状态和滚子在轴承中的位置的影响。I

6、mado[15]提出了一个霍尔元件检测法来检测钢球在轴承中的运动。最近，米尼安·拉尼阿多哈科梅等人[16]利用有限元法建立了滚动轴承的动态接触模型。动态接触模型应用在钢球与滚道打滑的研究中。Jain和亨特[17]忽略离心力和钢球接触角引起的陀螺力的影响，提出了一种应用在风力机传动系统高速输出轴上的轴承的动力学模型。塞尔瓦拉和marappan[18]研发了一种圆柱滚子轴承试验台，用于测量各种工况下运行的轴承元件的速度，在实验结果的基础上讨论了工作参数对圆柱滚子轴承的影响。Tuetal.[19]以滚动体与滚道、保持架之间的接触力和摩擦力，以及滚动体的离心力为基础建立了研究滚动轴承加速时打滑的

7、分析模型。对轴承打滑的动态问题的一些研究工作已在目前的文献中提出，但研究对象仅限于推力轴承（只适用于轴向载荷）和深沟轴承（仅适用于径向载荷）。角接触轴承在轴向和径向载荷作用下（复合载荷条件下）的研究较少受到关注。高速度和复合载荷工况会使角接触轴承的滚动元件具有三维运动，而推力轴承和深沟轴承的运动可以简化为二维运动。因此，本论文提出分析角接触球轴承打滑行为的动力学模型。首先，考虑了内圈的五个自由度，对轴承的载荷分布和每个滚动体的接触力