轧机四列圆锥滚子轴承的边界元法理论与实验研究

轧机滚动轴承是轧机的重要零件,属于非常规情况下工作的轴承。控制轧制需要的大压下量轧制和板型控制过程中的弯辊技术,都极大地增加了轧辊轴承的负荷,并且轧机结构的特殊性限制了轴承座结构的改进,导致轴承的使用寿命急剧降低,并频繁发生异常烧损和大面积疲劳剥落等事故,严重制约了生产。因此,对轧机滚动轴承的载荷分布和寿命研究具有重要的理论和实际意义。本文针对轧机四列圆锥滚子轴承的安装配合特点以及边界元法降维和在求解弹性接触问题上的独特优势,在Visual Fortran 6.5可视化平台上用Fortran 90语言编写了计算轴承载荷分布的专用边界元计算程序,能够精确地计算各种条件下四列圆锥滚子轴承的三维压力分布、接触滚动体的载荷分布、滚动体的接触宽度、物体表面各节点的位移、非接触区约束点的约束力和任何一点的表面应力等,并分析了不同使用情况对轴承载荷分布的影响规律,为解决轧机轴承短寿烧损,延长轴承寿命提供了有力的理论依据。首先,用增量加载的方法,采用点对点接触模式,提出了多物体三维摩擦接触边界元法。用Fortran语言分别编写了两个物体,三个物体和四个物体的三维弹性有摩擦接触的边界元计算程序。其次,根据滚动轴承的受力特点,提出轴承边界单元的概念,用来解决轴承接触单元面力不连续的问题,能够更精确的计算接触滚动体的个数。根据轴承的四种不同配合方式编写了四个计算轴承三维载荷分布的边界元专用计算程序。利用赫兹接触理论对滚动体与轴承内、外圈的接触宽度进行了修正,得到了更精确的轴承载荷分布。再次,利用编写的轴承三维载荷分布的边界元专用计算程序对二辊轧机的四列圆锥滚子轴承在不同约束情况下的压力和载荷分布等进行了数值解析。利用燕山大学轧钢实验室的二辊实验轧机,设计制造了专用的实验轧辊辊系,采用轴承座内部直接测量的方法,对静态,动态和轧制三种不同条件下的四列圆锥轴承的载荷分布进行了实验测量。并与数值模拟的结果进行了对比,轴承载荷的分布规律与实验测试结果基本一致,证明了边界元方法求解轴承载荷分布的正确性和有效性。基于数值模拟和现场实验的结果,对四列圆锥滚子轴承的安装和使用提出一些合理的建议,为延长轴承使用寿命奠定了基础。