谐波减速器柔性轴承混合润滑分析

以谐波减速器FB815型柔性球轴承为研究对象,基于赫兹接触理论和弹流润滑理论,建立了柔性球轴承的混合润滑数学模型,并对滚珠和内圈滚道的接触区进行了摩擦学性能分析.通过研究承载区滚珠在额定工况下的油膜厚度、压力、膜厚比等润滑参数,得到了危险点分布位置,并研究了载荷、转速、温度等因素对危险点润滑性能的影响.研究结果表明:在一定范围内,适当提高转速和降低温度能够有效减小疲劳点蚀,提高柔性轴承的可靠性和使用寿命.     

斜齿轮弹流润滑下的接触疲劳寿命计算

经典齿轮接触疲劳强度理论是基于光滑表面赫兹干接触理论,而实际齿面具有粗糙度,且啮合轮齿多数处于混合润滑状态.本文基于齿轮润滑接触分析建立了渐开线斜齿轮的接触疲劳寿命计算模型.模型由齿轮润滑接触分析模型和基于次表面应力分布的疲劳寿命模型组成.首先将斜齿圆柱齿轮一对齿的瞬时啮合等效为两反向圆锥的接触问题,建立了齿轮的有限长弹流润滑计算模型,考虑了齿轮啮合周期内瞬时载荷、接触线长、卷吸速度等因素的影响,基于统一雷诺方程方法求得啮合齿对间的润滑压力和油膜厚度分布;在此基础上,计算轮齿接触区次表面的米歇斯应力分布,根据Zaretsky接触疲劳寿命计算模型,对齿轮组的接触疲劳寿命进行模拟预测.针对不同工况参数下接触疲劳寿命计算表明:润滑油黏度、轮齿表面粗糙度等因素对齿面接触疲劳寿命均有显著的影响.     

单个微油滴弹流润滑行为的试验研究

利用光干涉技术研究了微油滴通过弹流润滑接触区的润滑行为,考察了油滴大小、卷吸速度和载荷等因素的影响.结果表明微油滴在入口区域因挤压或毛细力效应发生表面积扩展,从而影响润滑膜的形成.油滴越大,挤压扩展直径越大,形成的膜厚越大.卷吸速度越高,入口处微油滴表面积扩展越不充分,仅接触区局部形成油膜,微油滴在接触表面挤压出凹坑穿过接触区.     

考虑热弹性变形的角接触球轴承微观热弹流分析

运用点接触热弹性流体动压润滑理论,考虑了润滑油膜温升变化引起的角接触球轴承中滚珠和内圈接触表面的热弹性变形和表面随机粗糙度的影响,提出了一种计入热弹性变形和随机粗糙度影响的角接触球轴承热弹性流体动压润滑分析方法.该方法通过将热弹性变形进行热力转换,得到了滚珠和内圈接触表面的材料线热膨胀系数,计算修正了滚珠和内圈表面因油膜温度场变化引起的热弹性变形,求得了计入热弹性变形和表面粗糙度后的油膜压力、油膜厚度、油膜温升以及热弹性变形等主要润滑特性,研究了内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和油膜压力的影响规律,结果表明:最大热弹性变形量与最小油膜厚度处在同一量级,并且内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和压力会产生明显的影响.进一步对比分析了几种算法下的最小膜厚,验证了计入热弹性变形的数值算法的可行性.     

点接触弹塑性流体动力润滑研究

建立了点接触混合润滑模型,根据下表面应力分布迭代求解出下表层的塑性应变,将下表面塑性应变等效转化为本征应变,结合半无限体内本征应变对弹性场的应力扰动解法求解残余应力,表面塑性变形根据本征应变采用半解析方法求解.计算结果表明:本混合润滑模型在塑性计算模块、弹塑性流体动力润滑计算均表现出了很好的准确性以及高效性;本模型能够模拟真实机加工粗糙表面下弹塑性混合润滑问题;能够模拟由全膜润滑、混合润滑、边界润滑以及干接触全工况下的润滑情况,当滚动速度逐渐减小时,平均油膜厚度逐渐减小,接触区由全膜润滑转变为混合润滑,最终演变干接触.     

表面粗糙度特征对齿轮接触区润滑特性的影响

大部分工程实际粗糙表面符合非高斯分布,并对齿轮接触副润滑特性有重要影响.将渐开线齿轮啮合过程中齿面接触等效为三维无限长线接触,建立了一个可分析直齿轮和斜齿轮的混合弹流润滑计算模型;采用基于快速傅里叶变换的数值仿真方法生成给定参数的非高斯粗糙表面;运用该模型对直齿轮和斜齿轮啮合过程进行分析,求得不同表面粗糙度特征齿轮在各个啮合点的油膜厚度、接触区载荷以及接触区比例的情况.结果表明:对于标准差相等的非高斯粗糙表面,偏度值对齿轮润滑状况的影响与工况紧密相关,在润滑良好的条件下,偏度值越小润滑状况越优;润滑恶劣的条件下,偏度值越大润滑状况越优;而在各种工况下,峰度值对齿轮润滑状况的影响都表现出峰度值越大润滑状况越优的特点.     

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等. 宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触. 由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触. 此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度. 为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型. 通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律. 研究表明:在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑状态的影响较强,固体接触刚度占界面总刚度的主要部分,界面主要由固体承载;在相同载荷、粗糙度及润滑油黏度工况下,随着卷吸速度的增大,固体接触刚度逐渐减小,油膜刚度占界面总刚度的主要部分;在相同载荷、粗糙度及速度工况下,随着润滑油黏度的增大,油膜刚度基本保持不变,固体接触刚度基本不受润滑油黏度的影响. 通过理论建模准确获得单位面积弹塑性流体动力润滑结合面法向接触刚度,对改善机械装备动态性能、提高机械装备的可靠性具有重要的理论和实际意义.      

预紧方式对弹流润滑下角接触球轴承内部力学特性的影响

油膜厚度预测在评估弹流润滑(EHL)下角接触球轴承的性能和耐久性方面发挥着重要的作用. 耦合拟静力学理论和自旋下椭圆接触弹流模型,以干接触角接触球轴承拟静力学分析方法为基础,建立了定压和定位预紧方式下考虑弹流润滑和钢球自旋运动的角接触球轴承的拟静力学分析模型. 采用快速傅里叶变换(FFT)计算椭圆接触的弹性变形,运用Gauss-Seidel迭代方法求解Reynolds方程,得到自旋弹流模型的完全数值解,将其代入轴承拟静力学模型中迭代,得到轴承内部接触载荷、三维接触压力及三维膜厚分布. 对采用不同预紧方式的SKF7210型角接触球轴承进行分析,结果表明:富油润滑下,当轴承转速从0增大到15 000 r/min时,定压预紧时内圈轴向位移减小17.83%,而定位预紧时内圈承受的轴向载荷增大23.17%;定压预紧方式下球与内外滚道间膜厚均略大于定位预紧. 此外,不同预紧方式下,外圈上的中心膜厚大于内圈10%. 与干接触相比,定压下考虑弹流润滑内圈上接触载荷略大0.64%.      

球轴承启停过程的瞬态热混合润滑分析

建立了角接触球轴承的几何和数学模型,通过求解考虑了热效应和时变效应的Reynolds方程,对启动和制动过程中的球轴承瞬态热混合润滑问题进行了分析,考虑了不同加速度启动工况下的瞬态热混合润滑情况.结果表明:启动过程中,随转动速度的增大,最小膜厚增大,轴承逐渐由边界润滑进入弹流润滑状态;不同滑滚比下进入弹流润滑状态的时间有所不同,随着滑滚比的增大,进入弹流润滑的时刻有所推迟,轴承处于同一转速条件下的油膜厚度变小;随着转速的增大,油膜温度升高,最高油膜温度增长幅度减小;加速度的增大使边界润滑消失的时间提前,随着转速的增加,油膜温度增大,且在同一时刻加速度越大油膜温度越高;油膜减小过程中的挤压膜作用导致轴承制动过程中的油膜厚度大于启动过程中的油膜厚度;由于在相同转速下轴承在启动时处于边界润滑状态,而在制动时处于弹流润滑状态,润滑状态的不同导致制动过程中的最高油膜温度较启动过程较小.     

供油温度对润滑状态影响的试验观察与数值模拟

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了不同供油温度下的接触区润滑状态.结果表明,随着供油温度的升高,润滑油黏度降低,润滑油成膜能力整体下降,接触区润滑状态在较大速度范围内处于边界润滑和混合润滑区间;温度升高还将导致膜厚曲线斜率增大,壁面温差是其诱因,通过数值模拟证实了壁面温差的影响;速度增加使接触区润滑状态向等黏度-刚性区间转化;温度和载荷使接触区润滑状态趋向于压黏-弹性区间.系统散热也会对油膜厚度产生影响.     

圆锥滚子轴承润滑与动力学耦合研究

为准确分析圆锥滚子轴承润滑和动力学耦合性能,建立了基于油膜刚度与阻尼的圆锥滚子轴承动力学耦合方程,并对方程进行了验证和数值求解. 数值结果表明:与不考虑润滑相比,考虑润滑后轴承内圈轴向运动更加稳定,轴向位移变小;在不同的滚子端面球半径和挡边倾角下,润滑效应能够使内圈径向振动加速度级减小1.71到2.07 dB;同时滚子个数的增加会使轴承内圈滚道和内圈挡边的平均最小油膜厚度分别增加7.97%和4.43%.      

内圈离心位移对高速角接触球轴承刚度的影响

以弹性力学理论、滚动轴承动力学和沟道控制理论为基础,计算了角接触球轴承内圈在离心力作用下的径向位移,给出了计及内圈离心位移影响时,高速角接触球轴承滚动体与内、外圈的接触刚度与轴承整体的径向刚度、轴向刚度、角刚度的计算方法和相应程序。对7012/CD轴承的计算结果表明,轴承内圈外径的离心位移随转速增加而增大,在高速条件下其值较大,不容忽视;轴承内圈离心位移对内圈接触刚度和轴承径向刚度影响较大,导致内圈接触刚度和轴承径向刚度相对增大;对外圈的接触刚度、轴承轴向刚度和角刚度的影响很小;随着转速的增加与内圈离心位移的增大,对轴承内圈接触刚度与轴承径向刚度的影响会更加明显。因此,为使高速角接触球轴承的刚度分析更加精确、更加接近实际,必须考虑内圈离心位移的影响。     

双列圆锥滚子轴承滚子大端-引导边润滑接触分析

针对铁路客车中使用的双列圆锥滚子轴承,发展了一个系统的计算模型以模拟滚子大端与引导边间的润滑接触状态.首先通过理论分析确定滚子大端与内圈挡边的接触点位置和滚动体的自转与公转转速,分别得出二者在接触点的滑动速度;然后考虑滚子的离心力,通过求解内圈位移控制方程,计算轴承的载荷分布,并分别求出滚子与外滚道、内滚道以及引导边的作用力;最后建立润滑分析模型,对圆锥滚子大端与引导边的接触进行润滑分析计算,实现滚子大端与引导边接触的润滑模拟,并研究了滚子大端球面半径、工况条件等对润滑性能的影响.     

几何修形对低速圆柱滚子轴承混合润滑性能的影响研究

针对圆柱滚子轴承直母线滚子在接触出现的边缘应力集中现象，采用对滚子进行几何修形的方法，运用拟动力学分析方法开展轴承滚子受力和相对运动关系分析. 在此基础上，综合考虑轴承接触工况、滚子修形参数和真实表面粗糙度等因素，建立圆柱滚子轴承混合润滑数学模型，分析滚子修形参数和转速对轴承润滑性能的影响. 结果表明:从润滑角度判断，滚子母线凸度量δ和滚子端头圆角半径r均存在一个优化区间，使得最大受载滚子接触表面最大油膜压力和次表层最大von Mises应力σ显著减小，边缘效应弱化；δ和r对中心膜厚h_c和摩擦系数f的影响较小；转速的增大会使h_c变厚，f_c和σ减小，且混合润滑状态下转速对修形滚子的σ变化显著，修形后的滚子较未修形的滚子润滑性能要好.      

考虑滚道波纹度的推力球轴承油膜的测量与计算

使用能够模拟推力球轴承工作的光干涉油膜测量系统,在静态时基于Hertz接触理论测量得到了该轴承座圈滚道的波纹度变化,并测量了轴承工作一周的油膜变化情况.依据试验参数进行了钢球与玻璃盘接触以及钢球与座圈滚道接触的弹性流体动压润滑（EHL）数值分析.试验和理论分析均较好地验证了表面波纹度对润滑状态的影响,发现推力球轴承运动时油膜的变化和滚道的表面波纹度密切相关.     

考虑滚道表面油层分布的滚动轴承润滑分析

研究表明供油量对弹流润滑性能产生显著影响.滚动轴承中由于离心力和滚动体的反复滚压,滚道表面上的润滑剂呈现出非均匀分布的特点.大多数润滑剂被推挤到滚道的两侧,致使接触区的入口间隙不能被完全充满,导致乏油润滑,滚动体与滚道间接触压力接近于赫兹压力分布,膜厚较全膜润滑有明显的减小.本文基于润滑剂的流量连续建立滚道表面油层厚度分布模型,考虑润滑接触压力的影响,计算滚道上的侧流量以预测轴承滚道上补给油层厚度及形状随时间的变化规律;进而以此作为滚动体和滚道接触区的入口油层厚度,采用统一Reynolds方程法数值模拟计算每个时刻轴承滚道与滚动体之间的润滑油膜厚度,压力分布等参数,分析轴承在点接触乏油条件下运行的润滑性能.