滚动轴承外圈热误差分析

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滚动轴承作为旋转机构中的重要支撑件,结构简单,载荷性能良好、替换性强等特点,得到了广泛的应用。滚动轴承在运转过程中,轴承组件(内外圈、滚珠、保持架以及密封圈等)间相互摩擦生热,以及润滑油搅拌热等,导致轴承各组件温度升高,形状尺寸发生变化,从而影响轴承的精度和寿命。针对滚动轴承的受热变形这个现象,根据相关知识,建立轴承外圈的合理温度场模型,分析轴承的传热方式,探究其形状的改变量。本文针对滚动轴承外圈的热误差研究的主要内容:(1)简单介绍了轴承分析理论和轴承力学分析模型,采用Hertz弹性接触理论,分析轴承在静载作用下,滚道和滚珠在接触区域的应力应变关系,并且推导出了轴承径向和轴向计算公式。(2)分析了轴承组件间的接触模型类型,推导出了摩擦力矩导致的热量损失计算公式。对轴承外圈的温度场进行了建模分析,通过分离变量法,结合贝塞尔函数的求解,得到了轴承外圈温度场的精确解。(3)通过分析轴承系统中的不同形式的热传递,推导出轴承组件的热阻抗模型,建立了轴承系统温度节点热阻抗网络方程,从而对轴承外圈的节点温度进行求解。(4)通过仿真软件ANSYS Workbench,对轴承外圈的温升特点进行了仿真分析,在在实验平台上,以深沟球轴承61816和角接触球轴承7024C为实验对象,测得外圈温升数据和应变量,对比试验结果,得出结论。通过上述研究得到,深沟球轴承61816在轻载中低速工况条件下,在径向载荷一定时,轴承外圈温升随着转速的增大,温升持续增大,并呈现一定的线性关系;而角接触球轴承7024C,在重载中高速阶段,径向载荷一定时,轴承外圈温升并不是随着转速的增大而持续增大,在径向载荷力大于600N,转速大于在4500r/min时,外圈温升将会出现波动。通过弹性热应力理论,在实验的基础上,对比试验结果,理论得出的热误差比试验要小,差值控制在(10~60)-10~6。
致谢第5-6页
摘要第6-7页
abstract第7-8页
1 引言第14-18页
    1.1 背景第14页
    1.2 滚动轴承热误差发展现状第14-16页
    1.3 研究内容第16-17页
    1.4 本章小结第17-18页
2 滚动轴承的静载基础分析第18-25页
    2.1 滚动轴承的经典理论介绍第18-19页
        2.1.1 Hertz弹性理论模型第18-19页
        2.1.2 刚性套圈假设理论第19页
        2.1.3 套圈控制理论第19页
        2.1.4 弹性流体动力润滑理论第19页
    2.2 Hertz接触理论第19-22页
    2.3 线接触第22-23页
    2.4 轴承径向位移和轴向位移第23-24页
    2.5 本章小结第24-25页
3 滚动轴承外圈温度场分析第25-32页
    3.1 滚动轴承的摩擦介绍第25-26页
        3.1.1 接触变形导致的摩擦第25页
        3.1.2 弹性滞后导致的摩擦第25页
        3.1.3 微观滑动摩擦第25-26页
    3.2 轴承的摩擦生热分析第26-27页
        3.2.1 摩擦力矩计算公式第26-27页
    3.3 轴承外圈温度场建模分析第27-31页
        3.3.1 轴承外圈温度场理论建模第27-29页
        3.3.2 轴承外圈温度场的求解第29-31页
    3.4 本章小结第31-32页
4 滚动轴承的热特性分析第32-40页
    4.1 概述第32-33页
    4.2 热传递分析第33-34页
        4.2.1 热传导第33页
        4.2.2 热对流第33-34页
    4.3 轴承系统的传热分析第34-38页
        4.3.1 热阻分析法第35-38页
        4.3.2 有限差分法第38页
    4.4 轴承系统热阻法温度场求解第38-39页
    4.5 本章小结第39-40页
5 滚动轴承的热变形仿真研究第40-62页
    5.1 热变形理论基础第40-43页
        5.1.1 热应力第40-41页
        5.1.2 热弹性力学的基本方程第41-43页
    5.2 轴承外圈的仿真研究第43-51页
        5.2.1 球轴承模型的创建第43-44页
        5.2.2 材料属性设置第44页
        5.2.3 球轴承的网格划分第44-47页
        5.2.4 仿真结果分析第47-51页
    5.3 实验分析第51-61页
        5.3.1 试验台简介第51页
        5.3.2 轴承外圈温升实验结果分析第51-61页
    5.4 本章小结第61-62页
6 总结与展望第62-64页
    6.1 全文总结第62-63页
    6.2 不足与展望第63-64页
参考文献第64-67页
作者简介第67页
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