弹性复合圆柱滚子轴承结构设计方法研究

摘 要
圆柱滚子轴承作为一种通用元件，具有承载能力强、转速高、径向变形小等特点，广泛应用于大中型电动机、机车车辆、内燃机、发电机、轧钢机以及起重运输机械等。随着机械设备的现代化发展，高精度、高转速、高寿命等极端工作环境的要求的不断提出，设计一种高质量的圆柱滚子轴承成为机械现代化的必然要求。
根据组合创新原理,通过对圆柱滚子轴承的结构进行创新研究,提出了一种在空心圆柱滚动体中嵌入聚四氟乙烯(PTFE)材料的弹性复合圆柱滚子轴承新结构的设计方法。弹性复合圆柱滚子轴承的结构特性决定了它在力学性能、减振降噪以及极限转速等方面较实心圆柱滚子轴承和空心圆柱滚子轴承具有一定优势。
有限元法是现代工程常用的一种数值计算方法，特别是对于非线性问题能准确快速进行计算。采取有限元分析软件ABAQUS对NU318E型号的圆柱滚子轴承进行数值计算并通过赫兹接触经典理论对其结果进行校核。本文借助上述有限元分析方法对弹性复合圆柱滚子轴承接触进行仿真，计算了在F1和F2载荷下弹性复合圆柱滚子轴承接触应力大小和应力分布。讨论了不同载荷下填充度和边缘深穴结构对接触应力、等效应力、变形量、接触半宽以及弯曲应力的影响，以此为基础对填充度进行优化，在两种载荷下，NU318E型弹性复合圆柱滚子轴承的最优填充度分别为65%和55%。在对弹性复合圆柱滚动体填充度优化的基础上对边缘深穴结构进行优化，首先将边缘深穴结构参数化，并利用正交试验法和有限元方法确定出BP神经网络样本数据。通过BP神经网络学习算法建立设计变量与最大应力之间的映射关系，获得遗传算法结构优化所需的目标函数，采用遗传算法对弹性复合圆柱滚动体的边缘深穴结构参数进行优化，得到最优值。以上讨论了一种针对弹性复合圆柱滚子轴承结构设计方法。
最后，本文对NU318E型弹性复合圆柱滚动体的加工工艺进行叙述，并通过振动试验方法对不同填充度的弹性复合圆柱滚子轴承进行纵向对比分析，对弹性复合圆柱滚子轴承、深穴空心圆柱滚子轴承以及实心圆柱滚子轴承进行横向对比。试验结果表明：结构合理的弹性复合圆柱滚子轴承振动性能较其他两种圆柱滚子轴承要优越。
关键词：弹性复合圆柱滚子轴承，填充度，有限元法，接触应力，等效应力，弯曲应力
第一章 绪 论
1.1课题研究背景、目的及意义
1.1.1课题研究背景
轴承产品与技术严格意义上可分为两类：一是量大面广的工业与民用轴承技术，如汽车及车辆轴承、工程机械等应用的轴承，可称为基础件；二是作为重大装备应用的高性能轴承，如高速铁路轴承、精密冷轧薄板轧机轴承及航空发动机轴承等，这类轴承系统是整个装备的重要部分和关键技术之一，同时也是重大装备的核心基础件。两者在轴承产品技术与研究上体现在不同的层面，例如工业轴承着重于低能耗、高效生产技术方面的研究，而高速铁路及民用航空等轴承则偏重于绝对安全性技术的研究。随着工业现代化的发展，轴承设计、制造开始集中由专业化工厂生产，使得轴承精度提高、价格降低，从而应用范围逐步扩大，可以说只要有旋转的地方就有轴承。使用范围广，决定了轴承品种的多样性和复杂性；要求严格，决定了轴承质量和性能的重要性。普通机械零件的制造精度一般只有0.01mm，而轴承的制造精度一般以0.001mm来衡量，因此轴承制造业是一种精密的基础件制造业。电机的噪声和振动问题，在很大程度上取决于轴承质量；高精度机床主轴的精度和温升，更是与轴承质量息息相关；通讯卫星旋转装置中的轴承性能直接影响其通讯效果；航天、航空中关键轴承发生故障，就会造成严重事故[1]。
我国轴承工业虽然在飞速发展，但与轴承工业发达的瑞典、德国相比还存在非常大的差距，其主要表现在轴承振动、噪声、寿命、可靠性等方面。诸如振动噪声问题，国外一些著名轴承公司均采用轴承专用脂润滑来降低轴承的振动和噪声，如SKF公司按照不同的温度、转速、载荷等使用条件以及轴承尺寸大小来选用不同的轴承专用脂；NSK公司相继开发了AV2、 NS7和NSC等低噪声轴承专用脂，较好地控制了噪声，延长了轴承的噪声寿命。我国轴承的振动（加速度）极值水平一般要比日本产品相差10dB 以上，在日本已推出静音和超静音轴承时，我们还在低振动轴承攻关。产品的质量水平低，使用范围窄，品牌效应差，市场竞争力弱等局面始终制约着我国轴承工业的发展。目前世界上轴承产品的品种和规格总计约15万，而我国仅能生产2万余种。在我国每年生产的各类轴承中，通用中低档次轴承占据80％以上，各类专用、精密、高可靠性、高技术含量、高附加值轴承产品只占20％左右[2]。2010年中国轴承产量为150亿套，在市场竞争导致极低利润空间的影响下，轴承产值仍然高达1260亿元人民币，规模位居世界第三位。然而，国外八大跨国轴承企业占据了80%以上的全球市场，瑞典的SKF，美国的TIMKEN，日本的NSK等国际著名的轴承生产公司在关键技术产品上占有绝对垄断地位。中国在高性能轴承产品及技术发展上，还远不能满足国内整个装备制造业快速发展的重大需求，诸多高端轴承及总成系统基本依赖进口，严重制约我国重大装备制造业强国战略的发展，甚至影响到国防安全。高端轴承产品创新技术发展水平，已经成为制约我国制造业及装备制造业强国战略发展的一个瓶颈。
1.1.2课题研究目的及意义
众所周知，滚动轴承作为一种重要的机械元件，其工作性能直接影响到主机的工作性能。随着机械设备复杂程度的日益提高，以及高速、重载、高精度等极端工作性能和使用要求的不断提出，对滚动轴承的安全服役、动态性能、承载能力等方面提出了越来越高的要求。圆柱滚子轴承以及滚动体与滚道为线接触，径向承载能力和径向刚度较高的特点，在大中型电动机、机车车辆、减速机、起重运输机、机床主轴、轧钢机等机型设备中得到广泛应用。传统的圆柱滚子轴承的滚动体一般为实心圆柱滚动体（或外表面带有一定凸度的实心圆柱滚动体）。在应用中发现，实心圆柱滚子轴承存在诸如传动精度不高、振动噪音大、高速或重载情况下易损坏等许多不足之处。随着现代机械朝着高精度、高转速、高寿命的方向发展，传统的圆柱滚子轴承难以满足现代机械的要求，因此，研制具有高精度、高转速、高寿命特征的圆柱滚子轴承在工程应用上具有特别重要的意义。
随着科技的发展，实心圆柱滚子轴承在很多载荷下不能满足需求，空心圆柱滚子轴承大约在百年之前被提了出来，由于空心滚子圆柱轴承具备较高的传动精度和振动性能等优点而一直广受重视，成为学者们研究的重点对象,目前已经广泛应用于高速轻载、低速重载等复杂载荷中。上世纪70年代空心圆柱滚子轴承制造技术以趋成熟，并形成了系列化产品。我国从上世纪80年代开始对空心圆柱滚子轴承进行研究，前北京轴承厂在引进美国技术的基础上，经过多年的研究，在理论研究、产品设计、制作工艺、现场试验等方面积累了丰富的经验，到了上世纪九十年代已经能实现批量生产，并应用于各种机械系统中。在理论研究方面，国内有大连交通大学、北京石油化工学院、清华大学、国防科学技术大学等单位对空心圆柱滚子轴承的相关理论进行了较为系统的研究，在滚道接触应力与位移、空心度的优化设计、变形分析以及刚度计算等方面取得了一些成果。但是空心圆柱滚子轴承在使用中也发现了一些新的问题，其中受载的空心圆柱滚动体处于周期性的交替变形状态，空心滚动体内壁的弯曲疲劳断裂成为其主要的失效形式，从而内壁的弯曲应力大小成为了评估空心圆柱滚子轴承的一个重要准则。
弹性复合圆柱滚子轴承是一种新型的圆柱滚子轴承。通过创新圆柱滚子轴承的结构设计，增加轴承滚动体的弹性，以实现增大滚动体与内外圈的接触面积，降低滚动体与滚道的接触应力，提高轴承的安全服役寿命和承载能力，改善轴承动态特性的方法。传统实心圆柱滚子轴承有许多弊端，空心圆柱滚子轴承虽然能克服实心圆柱滚子轴承的某些不足，但同时也带来了一些新的问题。弹性复合圆柱滚子轴承具有实心圆柱滚子轴承和空心圆柱滚子轴承的优点，同时克服了它们的不足。弹性复合圆柱滚子轴承的研究在理论和工程应用方面具有积极意义。

第六章 结论与展望
6.1结论
本文探索了利用有限元法与理论方法结合得出科学有效的一种弹性复合圆柱滚子轴承结构设计方法。采用ABAQUS有限元软件计算了不同载荷和填充度下弹性复合圆柱滚子轴承的应力分布及大小，研究了不同载荷不同填充度对弹性复合圆柱滚子轴承力学影响，对结果进行分析，通过BP神经网络学习算法建立设计变量与最大应力之间的映射关系，获得遗传算法结构优化所需的目标函数，采用遗传算法对弹性复合圆柱滚动体的结构参数进行优胜劣汰的寻优搜索运算，最终优化得出结构合理的弹性复合圆柱滚子轴承。通过振动试验方法对弹性复合圆柱滚子轴承、深穴空心圆柱滚子轴承以及实心圆柱滚子轴承进行研究，结果表明结构合理的弹性复合圆柱滚子轴承振动性能优越。本文得出如下结论：
1、通过有限元方法对静载荷作用下弹性复合圆柱滚子轴承的内部载荷分布的理论和数值分析，结果表明内部载荷分布的理论公式计算值与数值分析计算值相差不大，简单有效的理论计算方法适用于弹性复合圆柱滚子轴承。
2、通过对普通圆柱滚子轴承进行数值仿真所得的结果经赫兹接触理论验证，并将这种数值仿真应用到弹性复合圆柱滚子轴承的有限元研究。这种方法有助于提高仿真研究的科学性和所得结果的准确性。
3、在不同载荷下，通过科学有效的有限元方法对不同填充度的弹性复合圆柱滚子轴承进行了接触仿真分析。弹性复合圆柱滚子轴承的接触力学特性与外载荷以及填充度有关，具体讨论了接触应力、等效应力、弯曲应力以及变形量与填充度之间的关系，结果表明：F1和F2载荷下尺寸型号为NU318E的弹性复合圆柱滚子轴承最优填充度分别为65%和55%。
4、通过有限元方法对弹性复合圆柱滚子轴承的接触进行仿真分析，边缘深穴结构影响着接触应力分布。基于弹性复合圆柱滚动体的特殊结构，提出一种通过神经网络模型构造非线性函数的映射关系并借助遗传算法对目标函数值进行优化的新方法。通过以上方法对一定载荷下填充度为55%的弹性复合圆柱滚动体边缘深穴结构进行优化，基于NU318E型弹性复合圆柱滚子轴承，得到优化结果：深穴角度a=48.68，深穴半径c=9.67。采取神经网络与遗传算法相结合是解决弹性复合圆柱滚动体边缘深穴结构参数优化问题的关键。
5、通过振动试验对弹性复合圆柱滚子轴承、深穴空心圆柱滚子轴承以及实心圆柱滚子轴承三种轴承进行横向对比；对不同填充度的弹性复合圆柱滚子轴承进行纵向对比，结果表明：结构合理的弹性复合圆柱滚子轴承较其他两种圆柱滚子轴承具有优越的振动特性。
6.2展望
通过有限元方法对弹性复合圆柱滚子轴承的接触进行分析，结果表明弹性复合圆柱滚动体内部结构影响着接触特性。本文先阐述了填充度这个概念，并提出了一种对弹性复合圆柱滚子轴承的填充度优化的方法。针对边缘深穴结构优化问题，作者提出了一种通过神经网络模型构造非线性函数的映射关系并借助遗传算法对目标函数值进行优化的新方法，并对弹性复合圆柱滚动体边缘深穴结构进行优化。但是对于弹性复合圆柱滚子轴承结构设计这一步，仍然有一些地方值得改进或者填补空白。因此，弹性复合圆柱滚子轴承的结构设计可以从如下方面继续开展研究。
1、本文对弹性复合圆柱滚子轴承进行了结构优化提出了一种有限元方法，但是此方法是有限元优化最基本的方法，没有通过有限元参数优化设计这一最具特色的方法解决问题。
2、弹性复合圆柱滚子轴承的结构设计主要是填充度的优化设计以及边缘深穴结构的优化设计。由于最优结构与载荷以及外形尺寸有关，没有提出通用的方法解决最优化问题，填补这一空白须上升到理论分析层次。同时也没有深入系统地研究弹性复合圆柱滚子轴承所涉及的若干基础理论与关键技术，提出一套具有普遍指导意义的弹性复合圆柱滚子轴承设计准则以及计算方法。
3、目前弹性复合圆柱滚子轴承的结构设计研究还停留在理想状态下，预负荷、径向游隙、润滑以及离心力等因素均没有考虑，而这些因素始终影响着弹性复合圆柱滚子轴承的工作状态。同时，本文弹性复合圆柱滚子轴承的结构设计是在静态设计研究，弹性复合圆柱滚子轴承的动态研究更加贴近实际情况。
以上这些因素都为以后对弹性复合圆柱滚子轴承的研究提供了广泛空间。