基于非局部摩擦的钢丝滚道球轴承接触仿真与实验研究

论文摘要

钢丝滚道球轴承是一种新型的非标准滚动轴承,具有径向尺寸大、轴向尺寸小的结构特点,受到世界各国科学家和工程技术人员的关注。近10年,钢丝滚道球轴承以其抗倾覆能力强和结构尺寸设计灵活等特点被广泛应用于建筑机械、医疗器械和飞行器仿真转台等领域。然而,钢丝滚道往往在循环交变的接触载荷作用下,导致接触疲劳与磨损,严重影响轴系的工作性能。为了探索钢丝滚道发生接触疲劳与磨损的特征和规律,本文将其视为接触问题进行对待,综合运用ANSYS有限元数值模拟方法和接触破坏实验方法对其进行研究。基于非局部摩擦理论模型,在微观尺度上,接触面某一点的摩擦效应不仅与该点的摩擦状态有关,而且与该点一定范围内其它点的摩擦状态也有关。因此本文首先考虑接触表面上微凸结构所引起的非局部摩擦效应,采用统计学方法确定钢丝滚道表面上非局部摩擦效应的作用半径,建立三维粗糙平面和三维粗糙圆柱面实体模型,基于三维粗糙表面建立钢丝滚道球轴承的接触分析模型,对滚动体与钢丝滚道之间的接触行为,在ANSYS中进行有限元数值模拟。三维粗糙表面接触模型对应力应变分布、摩擦应力分布,剪切应力分布,应力集中现象的描述更加接近于实际情况,仿真结果更加真实可信。滚动体与钢丝滚道在切向摩擦应力和循环交变的法向接触应力作用下,接触表面容易产生接触疲劳和磨损。接触破坏实验研究中,通过改变调整垫片的厚度实现接触载荷的精确加载,收集每一组接触载荷作用下的脱落颗粒,与最终发生接触破坏的钢球、钢丝滚道一起制作试样,在激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜下观察产生损伤的组织形貌。与有限元接触仿真结果对比,总结滚动体与钢丝滚道产生接触疲劳与磨损的特征和规律。实验结果表明:滚动体与钢丝滚道接触过程中,接触表面上的微凸结构首先发生接触,产生应力集中和塑性变形。最大剪切应力存在于接触区表层以下的某一深度处,循环交变应力作用下,接触疲劳裂纹在此处产生,然后向两侧或者表面扩展合并,最终脱落形成点蚀,同时加剧接触体间的磨损。本文的研究方法为钢丝滚道球轴承更广泛的应用提供理论支持和实验依据,同时对MEMS微机电系统、超精密加工等其它领域的微观接触问题提供了借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 钢丝滚道球轴承结构概况
• 1.1.3 课题研究的目的和意义
• 1.2 接触问题的研究概况
• 1.3 接触行为中的非局部摩擦效应
• 1.4 目前研究存在的不足
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 基于非局部摩擦效应的三维粗糙表面建模
• 2.1 引言
• 2.2 非局部摩擦模型
• 2.3 粗糙表面建模方法
• 2.4 三维粗糙表面的计算机模拟过程
• 2.4.1 三维粗糙表面形貌参数的获取
• 2.4.2 三维粗糙表面形貌的空间数值离散
• 2.5 三维粗糙表面在ANSYS 中的参数化表达
• 2.5.1 三维粗糙平面在ANSYS 中的参数化建模
• 2.5.2 三维粗糙圆柱面在ANSYS 中的参数化建模
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于三维粗糙实体模型的有限元接触仿真
• 3.1 引言
• 3.2 弹塑性接触分析
• 3.3 三维粗糙表面接触模型的建模与仿真
• 3.3.1 建立三维实体子模型
• 3.3.2 有限元网格划分
• 3.3.3 创建接触对
• 3.3.4 接触仿真参数设置
• 3.3.5 施加边界条件和载荷
• 3.3.6 有限元求解
• 3.4 本章小结
• 第4章 接触仿真结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 光滑接触模型仿真结果分析
• 4.2.1 钢球与钢丝的接触分析
• 4.2.2 陶瓷球与钢丝的接触分析
• 4.3 粗糙接触模型仿真结果分析
• 4.3.1 钢球与钢丝的接触分析
• 4.3.3 陶瓷球与钢丝的接触分析
• 4.4 光滑接触模型与粗擦接粗模型仿真结果对比
• 4.4.1 接触位移对比分析
• 4.4.2 接触面积对比分析
• 4.4.3 切向摩擦应力对比分析
• 4.4.4 应力集中对比分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 接触疲劳与磨损实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 接触疲劳与磨损实验方案
• 5.3 接触破坏实验结果分析
• 5.3.1 钢丝滚道接触疲劳与磨损情况分析
• 5.3.2 I 号钢丝滚道接触疲劳与磨损的脱落颗粒
• 5.3.3 II 号钢丝滚道接触疲劳与磨损的脱落颗粒
• 5.3.4 钢球表面接触疲劳与磨损分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢