轴承球-滚道全工作态下的动态接触特性分析

摘要

【目的】随着旋转类机械结构对运行精度和稳定性要求的不断提高，其内部服役轴承的动态性能也面临更加严格的要求。为提高旋转类机械结构的工作性能，揭示轴承在复杂载荷工况下的动态接触特性变化规律显得尤为重要。【方法】基于经典琼斯哈里斯模型和滚道控制理论，依据部件间的几何分析和受力分析，建立了一种五自由度动态接触特性分析模型，该模型系统考虑了离心力和陀螺力矩等因素，并计入轴承球-滚道接触和分离两种工作态的影响，以全面描述球轴承在轴向载荷、径向载荷、力矩载荷和转速等多因素作用下的动态接触特性。此外，构建了一种内循环-外循环式Newton-Raphson迭代算法求解局部方程和全局方程，依据轴承内部几何关系和受力关系简化模型求解变量，以降低模型求解的复杂度。以NSK 7013C轴承为例，分析特定载荷工况下轴承的动态接触特性变化规律。【结果】计算结果显示，当轴向载荷较小且达到一定转速时，轴承内部球-滚道会出现非完全接触状态，非完全接触区域与转速呈正相关;适当增大轴向载荷时，轴承内、外圈接触载荷幅值的变化幅度变小且非完全接触状态消失;单独增大径向载荷会导致轴承内部出现非完全接触现象，当径向载荷增大到一定程度时，非完全接触区域不再增大;在同一载荷条件下，轴承内、外圈接触角和接触载荷随滚动体方位角的变化而变化;不同方向的径向载荷和力矩载荷均使轴承接触角和接触载荷产生波动，其作用效果会相互叠加。【结论】轴向载荷能够改善轴承内部载荷分布，且对个别轴承球出现的分离状态具有一定抑制作用。轴向载荷、径向载荷、力矩载荷和转速对轴承的动态接触特性具有不同程度的影响，且力矩载荷的影响较小。本文创新之处在于系统考虑了轴承外界载荷和轴承球-滚道接触、分离全工作态的影响，分析轴承在复杂载荷工况下的动态接触特性变化规律，为指导轴承的选型、正向设计以及改善旋转机械的工作性能等提供了新的理论支持。

关键词

角接触球轴承 / 动态特性 / 接触状态 / 分离状态 / 接触角 / 接触载荷 / 联合载荷 / 五自由度模型

基金资助

中国博士后科学基金面上项目(2022M722223); 国家自然科学基金项目(52375258,52005345,52005344); 辽宁省教育厅项目(LJKMZ20220506,LJKMZ20220460,JYTMS20231191); 辽宁省“揭榜挂帅”科技重大专项(2022JH1/10400027,2022JH1/10800081); 重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-K202303401)