【摘要】：鋼絲滾道球軸承是一種新型的非標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承,具有徑向尺寸大、軸向尺寸小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),受到世界各國(guó)科學(xué)家和工程技術(shù)人員的關(guān)注。近10年,鋼絲滾道球軸承以其抗傾覆能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑機(jī)械、醫(yī)療器械和飛行器仿真轉(zhuǎn)臺(tái)等領(lǐng)域。然而,鋼絲滾道往往在循環(huán)交變的接觸載荷作用下,導(dǎo)致接觸疲勞與磨損,嚴(yán)重影響軸系的工作性能。為了探索鋼絲滾道發(fā)生接觸疲勞與磨損的特征和規(guī)律,本文將其視為接觸問(wèn)題進(jìn)行對(duì)待,綜合運(yùn)用ANSYS有限元數(shù)值模擬方法和接觸破壞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行研究。 基于非局部摩擦理論模型,在微觀尺度上,接觸面某一點(diǎn)的摩擦效應(yīng)不僅與該點(diǎn)的摩擦狀態(tài)有關(guān),而且與該點(diǎn)一定范圍內(nèi)其它點(diǎn)的摩擦狀態(tài)也有關(guān)。因此本文首先考慮接觸表面上微凸結(jié)構(gòu)所引起的非局部摩擦效應(yīng),采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定鋼絲滾道表面上非局部摩擦效應(yīng)的作用半徑,建立三維粗糙平面和三維粗糙圓柱面實(shí)體模型,基于三維粗糙表面建立鋼絲滾道球軸承的接觸分析模型,對(duì)滾動(dòng)體與鋼絲滾道之間的接觸行為,在ANSYS中進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。三維粗糙表面接觸模型對(duì)應(yīng)力應(yīng)變分布、摩擦應(yīng)力分布,剪切應(yīng)力分布,應(yīng)力集中現(xiàn)象的描述更加接近于實(shí)際情況,仿真結(jié)果更加真實(shí)可信。 滾動(dòng)體與鋼絲滾道在切向摩擦應(yīng)力和循環(huán)交變的法向接觸應(yīng)力作用下,接觸表面容易產(chǎn)生接觸疲勞和磨損。接觸破壞實(shí)驗(yàn)研究中,通過(guò)改變調(diào)整墊片的厚度實(shí)現(xiàn)接觸載荷的精確加載,收集每一組接觸載荷作用下的脫落顆粒,與最終發(fā)生接觸破壞的鋼球、鋼絲滾道一起制作試樣,在激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀察產(chǎn)生損傷的組織形貌。與有限元接觸仿真結(jié)果對(duì)比,總結(jié)滾動(dòng)體與鋼絲滾道產(chǎn)生接觸疲勞與磨損的特征和規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:滾動(dòng)體與鋼絲滾道接觸過(guò)程中,接觸表面上的微凸結(jié)構(gòu)首先發(fā)生接觸,產(chǎn)生應(yīng)力集中和塑性變形。最大剪切應(yīng)力存在于接觸區(qū)表層以下的某一深度處,循環(huán)交變應(yīng)力作用下,接觸疲勞裂紋在此處產(chǎn)生,然后向兩側(cè)或者表面擴(kuò)展合并,最終脫落形成點(diǎn)蝕,同時(shí)加劇接觸體間的磨損。 本文的研究方法為鋼絲滾道球軸承更廣泛的應(yīng)用提供理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù),同時(shí)對(duì)MEMS微機(jī)電系統(tǒng)、超精密加工等其它領(lǐng)域的微觀接觸問(wèn)題提供了借鑒。
[Abstract]:Steel wire raceway ball bearing is a new type of non-standard rolling bearing, which has the structural characteristics of large radial size and small axial size, which attracts the attention of scientists and engineers all over the world. In recent 10 years, steel wire raceway ball bearings have been widely used in many fields such as construction machinery, medical devices and simulation turntables for aircraft due to their strong anti-overturning ability and flexible structural design. However, the steel raceway is often subjected to cyclic alternating contact loads, which results in contact fatigue and wear, which seriously affects the performance of the shafting. In order to explore the characteristics and rules of contact fatigue and wear of steel wire raceway, it is treated as contact problem in this paper. ANSYS finite element numerical simulation method and contact failure test method are used to study the contact fatigue and wear of steel wire raceway. Based on the non-local friction theory model, the friction effect of a point on the contact surface is not only related to the friction state of the point, but also to the friction state of other points within a certain range of the point. Therefore, this paper firstly considers the non-local friction effect caused by the micro-convex structure on the contact surface, and uses the statistical method to determine the action radius of the non-local friction effect on the surface of the steel wire raceway. The solid models of three-dimensional rough plane and three-dimensional rough cylindrical surface are established. Based on the three-dimensional rough surface, the contact analysis model of steel wire raceway ball bearing is established. The contact behavior between rolling body and steel wire raceway is simulated by finite element method in ANSYS. The three-dimensional rough surface contact model describes the stress-strain distribution, friction stress distribution, shear stress distribution and stress concentration phenomenon more closely to the actual situation, and the simulation results are more realistic and reliable. Under the action of tangential friction stress and cyclic alternating normal contact stress, contact fatigue and wear are easy to occur on the contact surface between roller and steel wire raceway. In the experimental study of contact failure, the contact load can be accurately loaded by changing the thickness of the gasket, and each group of shedding particles under the action of contact load is collected, and the specimens are made together with the steel ball and steel wire raceway that finally occur contact failure. The morphology of the damaged tissue was observed under laser confocal microscope and scanning electron microscope. Compared with the finite element contact simulation results, the characteristics and rules of contact fatigue and wear between rolling body and steel wire raceway are summarized. The experimental results show that during the process of contact between the roller and the steel wire raceway, the micro-convex structure on the contact surface first occurs contact, resulting in stress concentration and plastic deformation. The maximum shear stress exists at a certain depth below the surface of the contact zone. Under the action of cyclic alternating stress, the contact fatigue cracks occur here and then expand and merge to both sides or surfaces, finally falling off to form pitting corrosion. At the same time, it aggravates the wear and tear between contact bodies. The research method in this paper provides theoretical support and experimental basis for the wider application of steel wire raceway ball bearings and provides reference for micro-contact problems in other fields such as MEMS micro-electromechanical system ultra-precision machining and so on.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TH133.3

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