钢丝滚道球轴承接触破坏的机理分析及实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xingzhe009
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钢丝滚道球轴承被广泛应用于飞行器仿真转台的实际生产中。然而倾覆力矩、残余不平衡力矩以及循环交变的应力往往导致疲劳、磨损和点蚀在其钢丝滚道表面形成,严重影响系统的稳定性和精确度。  本文以实际工程中某型号五轴仿真转台的钢丝滚道球轴承为背景,旨在揭示钢丝滚道发生疲劳、磨损及点蚀的特征、规律和机理,为有效控制钢丝滚道发生接触破坏的难题和钢丝滚道的新材料、新工艺研究奠定理论和技术基础。  本文首先基于Hertz接触理论、叠加原理以及Licht的研究工作,建立一个椭圆形积分域的数学积分模型,并在MATLAB中开发一套数值方法来求解钢丝滚道球轴承接触体内部任意点的位移场和应力场。数值求解结果表明:(1)椭圆形接触斑作为积分域虽然求解过程比圆形接触斑的复杂,然而其对于非协调性接触来说更具有一般性。(2)越靠近接触区中心,应力积分计算的代价越大。  其次,在ANSYS中考虑接触体的几何非线性、材料非线性以及接触非线性,采用APDL语言编程,分别对斜坡加载以及斜坡卸载两种接触过程进行仿真;获得弹塑性区的von Mises接触应力、接触应变及其分布。结果表明:(1)接触载荷导致钢丝发生塑性变形并因此产生残余应力和残余应变。(2)接触体发生弹性变形的同时也伴随塑性变形发生。(3)集中的接触载荷作用下导致I号钢丝的接触变形比II号钢丝的严重。  最后,采用实验的方法对I号及II号两种钢丝进行接触破坏研究,通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)观察得到了接触区的形貌和特征。分析发现:(1)交变接触应力使钢丝滚道产生点蚀,点蚀是接触表面发生疲劳磨损的源头。(2)接触体材料的接触破坏取决于接触区所承受的交变载荷、表层的应力集中以及材料的金相组织发生的局部塑性变形累积。(3)I号钢丝呈现出一种脆性破坏,II号钢丝呈现一种塑性破坏,故将II号钢丝应用于钢丝滚道球轴承,有利于提高系统的稳定性和精确度。
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