鋼絲滾道球軸承的接觸力學(xué)特性及其相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、近10來年，鋼絲滾道球軸承（Wire race ball bearing,WRBB）以其徑向尺寸大、軸向尺寸小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于大型雷達(dá)天線和飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)等國(guó)防科技領(lǐng)域、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、建筑機(jī)械、醫(yī)療器械以及紡織工業(yè)。它被認(rèn)為是具有高剛慣比和高抗傾覆能力的軸系支承系統(tǒng)技術(shù)，已經(jīng)成為解決許多存在幾何空間限制、質(zhì)量約束和慣量約束的工程設(shè)計(jì)與制造等方面問題的優(yōu)選方案。該類軸系支承可同時(shí)承受軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩及其組成的多種形

2、式的復(fù)合載荷。然而，接觸體間循環(huán)交變的接觸應(yīng)力及殘余不平衡力矩往往導(dǎo)致疲勞、磨損及點(diǎn)蝕在鋼絲滾道表面發(fā)生，影響系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和回轉(zhuǎn)精確度。針對(duì)該現(xiàn)象國(guó)內(nèi)外目前相關(guān)研究不足。因此，本文提出將其視為接觸問題進(jìn)行對(duì)待，運(yùn)用接觸力學(xué)、摩擦學(xué)和材料學(xué)知識(shí)，采用解析法、彈-塑性有限元法及試驗(yàn)，考慮幾何非線性、材料非線性、復(fù)合載荷分布以及摩擦等接觸邊界條件，對(duì)WRBB軸系的預(yù)緊、支承剛度和接觸破壞進(jìn)行全面研究。
　　適當(dāng)?shù)念A(yù)緊有利于提高軸系的

3、支承剛度；過大的預(yù)緊導(dǎo)致塑性變形和接觸破壞；故WRBB的預(yù)緊是首先需要研究的內(nèi)容。
　　為了克服相關(guān)行業(yè)目前WRBB軸系預(yù)緊的調(diào)試方法極其依賴工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的問題，本文對(duì)其軸系進(jìn)行力學(xué)分析，然后基于非協(xié)調(diào)性Hertz接觸理論建立了確定其軸系預(yù)緊量范圍的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB編程形成一套數(shù)值計(jì)算方法。數(shù)值求解得到了法向接觸力、接觸變形、最大接觸壓力以及橢圓形接觸區(qū)域的長(zhǎng)、短半軸，并獲得了WRBB軸系預(yù)緊量合理的范圍。以某型號(hào)飛行

4、仿真轉(zhuǎn)臺(tái)中直徑為1000mm的WRBB為例，組建了預(yù)緊測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合良好。
　　為了能夠準(zhǔn)確定位并確定WRBB軸系的預(yù)緊量，本文在對(duì)其軸系的空間力系進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于庫倫定律、滾動(dòng)摩阻定律和空間力偶等效定理，建立了其起動(dòng)力矩與預(yù)緊量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通過MATLAB編程并進(jìn)行數(shù)值求解，得到該數(shù)學(xué)模型的理論曲線。此后通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了良好效果，為實(shí)際工程中WRBB軸系預(yù)緊量的調(diào)節(jié)與控制提

5、供了有效的方法。
　　剛度計(jì)算是振動(dòng)理論和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的重要環(huán)節(jié)，研究大型WRBB的剛度特性對(duì)提高其使用性能具有實(shí)際意義。為此，本文首先對(duì)WRBB的接觸載荷分布進(jìn)行了分析，然后根據(jù)非協(xié)調(diào)性Hertz接觸理論、虛位移原理、余弦定理、極限定理中的洛必達(dá)法則、剛度和柔度的數(shù)學(xué)定義以及Stribeck的載荷分布理論分別建立了WRBB的軸向支承剛度、徑向支承剛度和翻轉(zhuǎn)支承剛度的數(shù)學(xué)模型。分別設(shè)計(jì)了加載機(jī)構(gòu)并組建了軸向支承剛度、徑向支承剛度

6、和翻轉(zhuǎn)支承剛度的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述支承剛度數(shù)學(xué)模型的正確性。對(duì)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，獲得了良好效果，為WRBB今后進(jìn)一步的接觸動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)，為工程實(shí)際提供了參數(shù)依據(jù)。
　　接觸問題的求解是一個(gè)高度非線性且相當(dāng)耗費(fèi)計(jì)算資源的問題。常規(guī)接觸分析的方法主要基于經(jīng)典Hertz彈性接觸理論，而且未考慮接觸體的幾何與材料非線性。因此，本文充分考慮接觸體的幾何與材料非線性，在Instron-5569萬能電子拉伸機(jī)上測(cè)得工程

7、中常用的兩種鋼絲（牌號(hào)均為T8MnA；一種是國(guó)產(chǎn)質(zhì)地偏軟的，稱其為I號(hào)鋼絲；另一種是日本進(jìn)口質(zhì)地偏硬的，稱其為II號(hào)鋼絲）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。然后，在ANSYS中運(yùn)用APDL語言建立了球-鋼絲滾道的3D接觸子模型，對(duì)I號(hào)鋼絲-鋼球、II號(hào)鋼絲-鋼球、I號(hào)鋼絲-Si3N4陶瓷球以及II號(hào)鋼絲-Si3N4陶瓷球4種接觸模型的彈-塑性接觸分析進(jìn)行了求解，得到了接觸體的vonMises應(yīng)力、彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變以及接觸斑的形狀和尺寸。最后，與彈性接

8、觸分析的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：(1)考慮接觸體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈-塑性接觸分析的結(jié)果比不考慮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的純彈性接觸分析的結(jié)果更接近實(shí)際；(2)采用子模型技術(shù)和多尺度有限元分網(wǎng)方法有效地節(jié)約了接觸分析的計(jì)算成本，提高了計(jì)算效率和求解精度。
　　另外，目前尚不明確接觸載荷、接觸體的幾何尺寸和材料屬性參數(shù)對(duì)接觸特性的影響關(guān)系以及接觸體的磨損及點(diǎn)蝕的特征和規(guī)律。鑒于此，本文首先分析了接觸載荷、接觸體的幾何參數(shù)和材料屬性參數(shù)對(duì)接觸