鋼絲滾道球軸承的接觸力學特性及其相關技術研究.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、軸向尺寸小的結構特點，被廣泛地應用于大型雷達天線和飛行器仿真轉臺等國防科技領域、數控回轉工作臺、建筑機械、醫(yī)療器械以及紡織工業(yè)。它被認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，已經成為解決許多存在幾何空間限制、質量約束和慣量約束的工程設計與制造等方面問題的優(yōu)選方案。該類軸系支承可同時承受軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩及其組成的多種形

2、式的復合載荷。然而，接觸體間循環(huán)交變的接觸應力及殘余不平衡力矩往往導致疲勞、磨損及點蝕在鋼絲滾道表面發(fā)生，影響系統(tǒng)的運轉平穩(wěn)性和回轉精確度。針對該現象國內外目前相關研究不足。因此，本文提出將其視為接觸問題進行對待，運用接觸力學、摩擦學和材料學知識，采用解析法、彈-塑性有限元法及試驗，考慮幾何非線性、材料非線性、復合載荷分布以及摩擦等接觸邊界條件，對WRBB軸系的預緊、支承剛度和接觸破壞進行全面研究。
　　適當的預緊有利于提高軸系的

3、支承剛度；過大的預緊導致塑性變形和接觸破壞；故WRBB的預緊是首先需要研究的內容。
　　為了克服相關行業(yè)目前WRBB軸系預緊的調試方法極其依賴工程師個人經驗的問題，本文對其軸系進行力學分析，然后基于非協(xié)調性Hertz接觸理論建立了確定其軸系預緊量范圍的數學模型，通過MATLAB編程形成一套數值計算方法。數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、短半軸，并獲得了WRBB軸系預緊量合理的范圍。以某型號飛行

4、仿真轉臺中直徑為1000mm的WRBB為例，組建了預緊測量系統(tǒng)，實驗結果與理論結果吻合良好。
　　為了能夠準確定位并確定WRBB軸系的預緊量，本文在對其軸系的空間力系進行分析的基礎上，基于庫倫定律、滾動摩阻定律和空間力偶等效定理，建立了其起動力矩與預緊量關系的數學模型。通過MATLAB編程并進行數值求解，得到該數學模型的理論曲線。此后通過實驗系統(tǒng)對理論結果進行了實驗驗證，獲得了良好效果，為實際工程中WRBB軸系預緊量的調節(jié)與控制提

5、供了有效的方法。
　　剛度計算是振動理論和結構穩(wěn)定性分析的重要環(huán)節(jié)，研究大型WRBB的剛度特性對提高其使用性能具有實際意義。為此，本文首先對WRBB的接觸載荷分布進行了分析，然后根據非協(xié)調性Hertz接觸理論、虛位移原理、余弦定理、極限定理中的洛必達法則、剛度和柔度的數學定義以及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支承剛度的數學模型。分別設計了加載機構并組建了軸向支承剛度、徑向支承剛度

6、和翻轉支承剛度的測量系統(tǒng)，實驗驗證了上述支承剛度數學模型的正確性。對理論與實驗結果進行對比和分析，獲得了良好效果，為WRBB今后進一步的接觸動力學分析奠定了基礎，為工程實際提供了參數依據。
　　接觸問題的求解是一個高度非線性且相當耗費計算資源的問題。常規(guī)接觸分析的方法主要基于經典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-5569萬能電子拉伸機上測得工程

7、中常用的兩種鋼絲（牌號均為T8MnA；一種是國產質地偏軟的，稱其為I號鋼絲；另一種是日本進口質地偏硬的，稱其為II號鋼絲）的應力-應變曲線。然后，在ANSYS中運用APDL語言建立了球-鋼絲滾道的3D接觸子模型，對I號鋼絲-鋼球、II號鋼絲-鋼球、I號鋼絲-Si3N4陶瓷球以及II號鋼絲-Si3N4陶瓷球4種接觸模型的彈-塑性接觸分析進行了求解，得到了接觸體的vonMises應力、彈性應變、塑性應變以及接觸斑的形狀和尺寸。最后，與彈性接

8、觸分析的結果進行了對比。結果表明：(1)考慮接觸體的應力-應變曲線的彈-塑性接觸分析的結果比不考慮應力-應變曲線的純彈性接觸分析的結果更接近實際；(2)采用子模型技術和多尺度有限元分網方法有效地節(jié)約了接觸分析的計算成本，提高了計算效率和求解精度。
　　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對接觸特性的影響關系以及接觸體的磨損及點蝕的特征和規(guī)律。鑒于此，本文首先分析了接觸載荷、接觸體的幾何參數和材料屬性參數對接觸