本文關(guān)鍵詞：帶式輸送機托輥軸承摩擦扭矩特性研究

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【摘要】：隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,中國已進入新的經(jīng)濟“轉(zhuǎn)型期”。節(jié)能降耗的全民素質(zhì)要求逐漸提上日程�！笆濉逼陂g國務(wù)院總理李克強即在政府工作報告中提出了“綠色生產(chǎn)、節(jié)能降耗”要求。我國國民經(jīng)濟從新中國成立時期的粗放型經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)模式先后經(jīng)歷了半個多世紀過渡到了二十一世紀節(jié)能、集約型產(chǎn)業(yè)模式。這種歷史性的工業(yè)革命變遷在證明中國綜合實力在得到了長足發(fā)展的同時也為科技的發(fā)展方向指明了道路。我國煤炭行業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了從小型個體的無序開采階段到經(jīng)濟整合建立大型煤炭集團進行計劃、有序采礦的階段耗費了近六十多年的光陰。但是我國煤炭的開采效率、資源利用率及防污、控污能力與國外同行業(yè)相比仍舊相差甚遠。究其根源,仍可歸咎為思想觀念落后以及礦山機械設(shè)備的科技研發(fā)技術(shù)與手段不先進。經(jīng)過幾十年的艱苦奮斗,我國科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展已達到新的高度。礦山機械設(shè)備經(jīng)過也隨之不斷更新?lián)Q代。相比以前,現(xiàn)有的礦山設(shè)備操作更為智能,結(jié)構(gòu)更為緊湊。帶式輸送機作為主要的礦山機械設(shè)備,其能耗和運行成本始終是該行業(yè)關(guān)注和改進結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。托輥作為帶式輸送機的主要能耗部件(特別是對于長距離、大運量輸送機),其轉(zhuǎn)動特性直接關(guān)系到輸送機整機運行成本。托輥旋轉(zhuǎn)阻力作為衡量其性能的主要指標其組成主要包括:滾動軸承組的摩擦阻力、充脂迷宮密封件之間的摩擦阻力及外部端蓋與輥筒之間的摩擦阻力。其中滾動軸承組的摩擦阻力是托輥旋轉(zhuǎn)阻力的主要組成部分,竟占到了80%~90%。因此研究托輥軸承的摩擦扭矩特性對改進托輥性能以至輸送機運行效率及成本有著重要意義。本文在結(jié)合了現(xiàn)場調(diào)研及參閱了大量的相關(guān)文獻之后重點分析與研究托輥實際工況時的各種影響因素與軸承摩擦扭矩特性之間的相關(guān)性。經(jīng)過大量的實驗與分析將影響因素主要分為了三種,包括:潤滑脂填脂量、過盈裝配應(yīng)力及徑向載荷。以上三種作為輸送機托輥最為常見的影響因素,分析與研究其與托輥軸承之間的相關(guān)性對探索托輥軸承的最優(yōu)填脂量范圍、最優(yōu)配合尺寸及輸送物料重量區(qū)間以至優(yōu)化托輥結(jié)構(gòu)設(shè)計都有著重要意義�；诖�,本文的具體研究工作如下:(1)基于Hertz接觸理論分析與推導(dǎo)軸承滾動體與滾道之間的微觀接觸幾何特性及參數(shù),并基于滾動軸承的運動學(xué)特性對其進行擬動力學(xué)分析;基于Hertz彈性體點接觸理論分析與推導(dǎo)軸承滾動體與內(nèi)、外圈滾道之間接觸域橢圓幾何參數(shù)(包括橢圓長半軸、短半軸及面積)的計算方法,同時也給出相關(guān)概念(包括:第一類與第二類橢圓積分函數(shù)、接觸點曲率、曲率和函數(shù))的解釋與計算。通過對上述滾動軸承點接觸基本特性參數(shù)泰勒級數(shù)展開的計算過程分析,提出利用計算機軟件數(shù)值分析軟件通過設(shè)置最小控制量的數(shù)值迭代計算方法。通過對滾動軸承的運動特性分析對其進行運動學(xué)方程推導(dǎo),給出滾動體公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的角速度計算表達式。與此同時,提出滾動軸承應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及接觸循環(huán)次數(shù)的概念并分別給出兩者的計算方法。在滾動軸承擬靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,將慣性因素考慮進去并提出滾動軸承擬動力學(xué)分析方法。同時利用計算機數(shù)值分析軟件給出更為簡單、快捷的求解方法。通過滾動軸承的擬動力學(xué)分析分別建立滾動體與保持架兜孔之間、保持架與引導(dǎo)套圈之間、潤滑劑與軸承零部件之間的相互作用力方程,除此之外推導(dǎo)得出高速滾動軸承的慣性力及慣性力矩方程以及軸承滾動體的動力學(xué)方程。(2)分析與研究滾動軸承所有的摩擦來源并推導(dǎo)相關(guān)摩擦源的計算方法與公式;結(jié)合對滾動軸承的擬動力學(xué)分析,將軸承摩擦源分為:套圈材料彈性滯后引起的滾動摩擦、滾動體差動滑動引起的摩擦、滾動體自旋引起的摩擦、潤滑劑黏性引起的摩擦(包括:油膜剪切摩擦與油氣混合物的繞流阻力引起的摩擦)以及保持架與滾動體及套圈之間的相對滑動摩擦。為能夠準確計算軸承總的摩擦扭矩,分別對以上大部分摩擦組份進行理論分析并給出各個部分的扭矩計算公式。對于軸承套圈材料彈性滯后引起的摩擦需要結(jié)合滾動體與滾道接觸點處橢圓短半軸的長度,且在考慮套圈滾道在接觸點前、后材料能量彈性滯回曲線的同時還需要引入彈性滯后系數(shù)αh,保證此扭矩值計算的準確性。滾動體差動滑動是滾動軸承所特有的摩擦特性,從概念上出發(fā)可以理解為:滾動體與滾道接觸橢圓的面積因為速度方向不同的原因可分為三個部分,位于兩純滾動點之間的橢圓面積上的摩擦力與該兩點分別至橢圓長半軸端點橢圓面積上的摩擦力方向相反,這意味著對接觸橢圓面積上的應(yīng)力積分必須分成三部分來計算所得計算結(jié)果才能準確。滾動體自旋是因為軸承內(nèi)、外套圈軸線不重合且存在夾角時才會有的現(xiàn)象,又因為接觸點處滾動體自旋的方向往往一致所以在計算此摩擦力矩時只需對接觸橢圓面上的任意點的應(yīng)力值進行全面積分即可求得。潤滑劑黏性摩擦主要體現(xiàn)在潤滑劑內(nèi)部的剪切力以及由于溫升而使其蒸發(fā)進而加劇了由軸承內(nèi)部油氣混合物的空氣密度引起的繞流阻力矩,最終導(dǎo)致軸承摩擦扭矩增加,其值可由經(jīng)驗公式求得。保持架與滾動體及套圈之間的相對滑動摩擦與轉(zhuǎn)速無關(guān)而與潤滑劑粘度、填脂量以及軸承材料特性相關(guān),因此對于跑合階段完成的滾動軸承而言,此種摩擦力基本上是一固定值,其值也可由經(jīng)驗公式求得。(3)分析與研究填脂量對托輥軸承摩擦扭矩的影響;脂潤滑作為滾動軸承潤滑方式中最為廣泛的應(yīng)用方式,潤滑脂填充量的多少會直接影響軸承的溫升及摩擦扭矩。因此,需要首先分析脂潤滑軸承的摩擦扭矩組成。根據(jù)脂潤滑軸承摩擦特性將其摩擦扭矩組份分成:潤滑脂的黏性摩擦阻力(潤滑脂拖曳摩擦阻力和油氣混合物的繞流阻力)、滾動體自旋摩擦阻力、保持架與滾動體及內(nèi)、外套圈之間的摩擦阻力、熱導(dǎo)致的滾動摩擦及熱導(dǎo)致的滑動摩擦阻力,并對上述摩擦源分別進行分析與計算,最終給出脂潤滑軸承的摩擦扭矩計算模型。從上述脂潤滑軸承摩擦組成可以看出最后兩項摩擦源是由填脂量導(dǎo)致軸承溫度升高引起的。然而軸承溫度升高又會改變潤滑脂的流變特性,所以在研究填脂量與軸承摩擦扭矩之間的相關(guān)性之前首先需要對滾動軸承常用鋰基脂的流變特性進行分析與實驗。潤滑脂流變特性實驗分別包括潤滑脂相似黏度與溫度以及相似黏度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(剪切率)之間的關(guān)系并分別對實驗結(jié)果進行擬合,最終給出相對應(yīng)的擬合公式。搭建脂潤滑軸承摩擦扭矩試驗臺進行填脂量實驗,并將實驗結(jié)果與所建模型進行對比,在驗證模型計算精度的同時通過觀察實驗結(jié)果給出托輥軸承最優(yōu)填脂量范圍。(4)分析與研究過盈裝配對托輥軸承摩擦扭矩的影響;正常情況下,軸承都會以過盈裝配的形式被應(yīng)用在托輥中。根據(jù)托輥的組裝過程發(fā)現(xiàn)軸承外圈會與軸承瓦盒(軸承座)以及軸承內(nèi)圈與軸頸之間均會采用尺寸過盈的裝配形式。然而根據(jù)彈性力學(xué)關(guān)于配對厚壁圓環(huán)的配合應(yīng)力與變形分析可知,軸承過盈裝配必然會對軸承的摩擦扭矩產(chǎn)生影響。為分析裝配應(yīng)力與軸承摩擦扭矩之間的相關(guān)性,首先需要分析裝配軸承的摩擦扭矩組成并給出裝配軸承摩擦扭矩計算模型�？紤]到過盈裝配會使得其中某項軸承摩擦阻力會明顯超過其他的阻力值,因此根據(jù)裝配軸承摩擦特性將其摩擦阻力分為:套圈材料彈性滯后引起的滾動摩擦阻力和保持架與滾動體及套圈之間的滑動摩擦阻力,并分別對上述兩種摩擦阻力進行分析與計算,最終給出裝配軸承摩擦扭矩數(shù)學(xué)模型。為能夠模擬軸承過盈裝配,設(shè)計一種圓周徑向力加載軸承座,同時能夠通過壓力傳感器實現(xiàn)加載應(yīng)力的顯示與記錄。搭建裝配軸承摩擦扭矩試驗臺,基于上述裝置通過實驗測試將試驗結(jié)果與所建模型進行對比,同時觀察實驗數(shù)據(jù)最終給出托輥軸承的最優(yōu)配合尺寸范圍。(5)分析與研究徑向載荷對托輥軸承摩擦扭矩的影響;帶式輸送機正常工作狀態(tài)下托輥轉(zhuǎn)動特性會隨輸送帶輸送物料重量的不同而不同,即托輥旋轉(zhuǎn)阻力大小與其承載重量緊密相關(guān)�？紤]托輥軸承在垂直方向上的徑向載荷會隨承載重量的不同而影響軸承自身的摩擦扭矩,因此根據(jù)徑向承載軸承摩擦特性分析將其摩擦阻力分為:軸承套圈材料彈性滯后引起的滾動摩擦阻力、滾動體差動滑動引起的摩擦阻力及保持架與滾動體及套圈之間的滑動摩擦阻力,并對上述三種摩擦阻力進行分析與計算,最終給出徑向承載軸承的摩擦扭矩計算模型。為能夠?qū)崿F(xiàn)軸承在不同徑向載荷下的加載設(shè)計一種軸承徑向力加載裝置,該裝置要能夠同時實現(xiàn)無極加載和載荷測量的基本功能�；谏鲜鲅b置搭建徑向承載軸承扭矩測試實驗臺進行實驗測試,并將測試結(jié)果與所建模型進行比對同時觀察實驗數(shù)據(jù)給出托輥軸承最優(yōu)徑向承載范圍。
【關(guān)鍵詞】：托輥軸承 摩擦扭矩 填脂量 過盈裝配 徑向載荷
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD528.1
【目錄】：

• 摘要4-8
• abstract8-17
• 1 引言17-34
• 1.1 課題背景17-19
• 1.2 脂潤滑軸承摩擦扭矩影響因素與分析19-23
• 1.2.1 軸承摩擦扭矩的外部影響因素19-20
• 1.2.2 軸承摩擦扭矩的分析與計算20-23
• 1.3 問題提出23-25
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀25-30
• 1.4.1 潤滑脂流變特性及填脂量對軸承摩擦扭矩影響的研究現(xiàn)狀25-26
• 1.4.2 預(yù)緊力對軸承摩擦扭矩影響的研究現(xiàn)狀26-27
• 1.4.3 徑向載荷對軸承摩擦扭矩影響的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.4.4 研究現(xiàn)狀總結(jié)28-30
• 1.5 研究目標、意義及內(nèi)容30-33
• 1.5.1 研究目標30-31
• 1.5.2 研究意義31
• 1.5.3 研究內(nèi)容及技術(shù)路線31-33
• 1.6 小結(jié)33-34
• 2 軸承運動與力學(xué)特性分析34-68
• 2.1 軸承接觸應(yīng)力與變形分析34-42
• 2.1.1Hertz基本假設(shè)34-35
• 2.1.2 分布壓力與彈性半空間問題35-36
• 2.1.3 點接觸的幾何描述36-38
• 2.1.4 基本方程38-41
• 2.1.5 數(shù)值計算41-42
• 2.2 軸承運動學(xué)分析42-46
• 2.2.1 簡化假設(shè)42-43
• 2.2.2 運動分析43-44
• 2.2.3 滾動體自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)44-45
• 2.2.4 接觸與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)45-46
• 2.3 軸承擬動力學(xué)分析46-67
• 2.3.1 研究對象定義47-48
• 2.3.2 建立坐標系48-49
• 2.3.3 滾動體與滾道之間的相互作用49-52
• 2.3.4 滾動體與保持架兜孔之間的相互作用52-56
• 2.3.5 保持架與引導(dǎo)套圈之間的相互作用56-58
• 2.3.6 潤滑劑與軸承零部件之間的相互作用58-64
• 2.3.7 滾動體慣性力及慣性力矩64-65
• 2.3.8 動力學(xué)方程65-67
• 2.4 小結(jié)67-68
• 3 軸承摩擦特性分析68-80
• 3.1 材料彈性滯后引起的滾動摩擦68-70
• 3.2 滾動體差動滑動引起的摩擦70-71
• 3.3 滾動體自旋引起的摩擦71-72
• 3.4 滾動體打滑引起的摩擦72-75
• 3.5 潤滑劑黏性引起的摩擦75-78
• 3.5.1 油膜剪切摩擦力計算75-78
• 3.5.2 油氣混合物的繞流阻力引起的摩擦78
• 3.6 保持架與滾動體及套圈之間的相對滑動摩擦扭矩78-79
• 3.7 小結(jié)79-80
• 4 軸承在不同填脂量下的扭矩特性研究80-98
• 4.1 脂潤滑軸承摩擦扭矩分析80-87
• 4.1.1 潤滑脂的黏性阻力矩81-82
• 4.1.2 保持架與滾動體及內(nèi)、外套圈之間的摩擦力矩82-83
• 4.1.3 滾動體自旋摩擦扭矩83
• 4.1.4 軸承熱變形分析83-85
• 4.1.5 熱導(dǎo)致的滾動摩擦扭矩85
• 4.1.6 熱導(dǎo)致的滑動摩擦扭矩85-86
• 4.1.7 脂潤滑軸承摩擦扭矩公式86-87
• 4.2 潤滑脂流變特性實驗與分析87-91
• 4.2.1 流變實驗87-88
• 4.2.2 數(shù)據(jù)分析88-91
• 4.2.3 結(jié)果與討論91
• 4.3 軸承脂潤滑實驗與分析91-96
• 4.3.1 脂潤滑實驗92-93
• 4.3.2 填脂量-軸承溫升93-94
• 4.3.3 填脂量-軸承扭矩94-95
• 4.3.4 結(jié)果與討論95-96
• 4.4 小結(jié)96-98
• 5 軸承在不同裝配應(yīng)力下的扭矩特性研究98-112
• 5.1 裝配應(yīng)力和變形分析98-102
• 5.1.1 圓環(huán)應(yīng)力與變形98-100
• 5.1.2 過盈配合的兩圓環(huán)之間的配合應(yīng)力100-102
• 5.2 裝配應(yīng)力引起的軸承摩擦扭矩分析102-105
• 5.2.1 滾動體與滾道之間的接觸載荷102-103
• 5.2.2 應(yīng)力循環(huán)（接觸循環(huán)）次數(shù)103-104
• 5.2.3 彈性滯后引起的滾動摩擦扭矩104
• 5.2.4 保持架與滾動體及套圈之間的滑動摩擦扭矩104-105
• 5.2.5 裝配軸承摩擦扭矩公式105
• 5.3 裝配應(yīng)力-軸承摩擦扭矩實驗與分析105-110
• 5.3.1 實驗裝置106-108
• 5.3.2 實驗測試與驗證108-110
• 5.3.3 結(jié)果與討論110
• 5.4 小結(jié)110-112
• 6 軸承在不同徑向載荷下的扭矩特性研究112-124
• 6.1 徑向載荷下軸承的載荷分布113-116
• 6.1.1 軸承接觸載荷與變形的關(guān)系113-114
• 6.1.2 軸承內(nèi)部載荷分布114-116
• 6.2 徑向載荷引起的軸承摩擦扭矩分析116-118
• 6.2.1 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)116
• 6.2.2 彈性滯后引起的滾動摩擦力矩116-117
• 6.2.3 滾動體差動滑動引起的摩擦力矩117
• 6.2.4 保持架與滾動體及套圈之間的滑動摩擦扭矩117-118
• 6.2.5 徑向載荷下軸承的摩擦扭矩公式118
• 6.3 徑向載荷-軸承摩擦扭矩實驗與分析118-123
• 6.3.1 實驗裝置與測量原理118-120
• 6.3.2 實驗測試與驗證120-122
• 6.3.3 結(jié)果與討論122-123
• 6.4 小結(jié)123-124
• 7 結(jié)論與展望124-129
• 7.1 主要研究工作124-126
• 7.2 論文創(chuàng)新點126-127
• 7.3 展望127-129
• 參考文獻129-140
• 致謝140-141
• 作者簡介141
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文141
• 在學(xué)期間參與申請的專利141

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本文編號：562999