复合滚动体球轴承接触特性研究

摘要

作为机械运动系统中的关键部件，球轴承凭借传动效率高、摩擦系数小等优点，广泛应用于机械设备中。随着现代机械朝着高速、重载、高寿命的趋势发展，传统球轴承常出现振动噪声大、过早疲劳磨损等现象，严重影响设备的正常运转和生产安全。因此，工程上迫切需要开发出一种适用于高速重载工况、使用寿命长的新型球轴承。 本文通过对传统球轴承接触性能的研究，分析球轴承结构上的缺陷，并在此基础上提出了复合球轴承的概念；进一步通过理论分析、有限元仿真以及摩擦试验，对复合球轴承的接触性能进行研究。论文主要研究工作如下： （1）基于复合滚珠二元组合结构的特点，分析复合球轴承在力学性能、极限转速等方面的优越性；综合分析影响传统球轴承性能和寿命的主要因素，结合复合球轴承内部载荷分布情况，提出以最大切应力和接触应力作为优化复合球轴承性能和寿命的分析因素。 （2）基于Hertz理论与数值分析相结合的方法分析球轴承的接触性能，得出复合球轴承的数值分析方法；进而建立复合球轴承有限元仿真模型，利用Workbench分析重载工况下内层金属材料弹性模量及直径对复合球轴承接触性能的影响规律；对比分析复合球轴承和传统球轴承的接触性能，证明复合球轴承概念的正确性。 （3）基于复合球轴承仿真模型，设计合适的试样结构以及加工工艺；进一步设计适合试样的摩擦磨损试验机，详细介绍核心零部件的设计流程及选型，并对重要零件进行强度校核；对比分析多组单一材料试样摩擦试验结果，证明本文设计的摩擦磨损试验机稳定可靠。 （4）基于所设计的试验平台，对优化后的钢-钛及钢-铝复合滚珠试样进行摩擦试验；分析磨痕宽度及磨损量等数据的变化趋势，结果表明本文提出的复合球轴承接触性能优于传统球轴承，且结构合理的复合球轴承性能更加优异。 本文所提出的复合球轴承，适用于高速重载等工况，为解决轴承振动及过早疲劳失效现象提供了一个研究方向，对于提高机械设备的稳定性及寿命具有重要意义。

目录

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1.1研究背景和意义

1.2接触问题研究综述

1.2.1接触理论的研究现状

1.2.2有限元方法的研究现状

1.3球轴承国内外研究现状与发展

1.3.1陶瓷球轴承的研究现状与发展

1.3.2空心球轴承的研究现状与发展

1.4研究的主要内容以及章节安排

1.5本章小结

第二章 复合球轴承基本理论及经典摩擦理论

2.1复合球轴承结构特点

2.1.1复合球轴承的基本概念

2.1.2复合球轴承的特点

2.2复合球轴承的负载分布

2.2.1变形与负荷的关系

2.2.2复合球轴承的载荷分布

2.3经典磨损理论

2.3.1 Holm-Archard磨损理论

2.3.2点接触高副的磨损量计算方法和研究

2.4本章小结

第三章复合球轴承有限元接触分析

3.1 ANSYS Workbench简介

3.2 Hertz接触理论

3.2.1 Hertz接触理论的一般假设与基本理论

3.2.2点接触接触理论

3.2.3平行圆柱接触理论

3.3实心深沟球轴承接触有限元仿真

3.3.1模型的建立和网格划分

3.3.2接触设置和边界条件的施加

3.3.3仿真结果及理论结果对比分析

3.4复合球轴承接触特性有限元分析

3.4.1复合球轴承优化准则

3.4.2模型的建立和网格划分

3.4.3接触设置和边界条件的施加

3.4.4有限元结果分析

3.5本章小结

第四章 复合滚珠摩擦磨损试验机设计

4.1复合滚珠试样设计

4.2复合滚珠试样加工工艺

4.3复合滚珠摩擦磨损试验机

4.4复合滚珠摩擦磨损试验机主要组成模块设计

4.4.1动力模块设计

4.4.2杠杆加载装置设计

4.5本章小结

第五章 复合滚珠接触摩擦试验

5.1试验设备及原理

5.2试验对象

5.3试验目的及评定标准

5.3.1试验目的

5.3.2摩擦性能评定标准

5.4试验内容

5.5试验结果分析

5.5.1单一材料滚珠摩擦性能试验

5.5.2复合材料滚珠摩擦性能试验

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1研究的主要结论

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间所取得的主要成果