基于拟动力学与热机耦合特征的矿用高速滚珠轴承动态疲劳寿命优化

High speed ball bearings are widely used in mining equipment, aerospace and other high speed situations.It is prone to fatigue aging because of super high contact stress in the contact area between the steel ball and raceway. Existing studies focus on the calculation and prediction of fatigue life, and rarely to optimize the fatigue life of rolling bearing; and these researches mostly under fixed load and speed study the influence of geometric parameters on fatigue life isolatedly, without consideration of the non-linear dynamic changes of contact load and lubrication with external load and speed by the quasi dynamics and thermo mechanical coupling characteristics inside the bearing.This project would find out the dynamic optimal matching laws of the strong coupling parameters, such as the rotor support stiffness, the geometric structure of the bearing, the external load, the friction heat and the lubrication condition on the premise that the non-linear characteristics of internal loads and coefficients of friction caused by quasi dynamics and thermo mechanical coupling characteristics are taken as the entry point in, the external constraints of the practical application of the bearings and the internal constraints of the bearing's own structure are extended, the improved ISO-IH fatigue life model and logically unabridged optimization model is taken as the object, the optimization of high dimensional parameters is taken as the method. Further more, this project would provide an experimental verification to the results of theoretical analysis are verified by accelerated by the accelerated fatigue life test, and provide a reliable theoretical basis for the design ,use and life extension technology of high speed ball bearings.

高速滚珠轴承广泛应用于矿山装备、航空航天等高速场合。因其滚珠与套圈沟道点接触区域内极高的接触应力而易于疲劳。已有的研究集中在疲劳寿命的计算与预测，而很少对其进行疲劳寿命优化；且大都在固定的转速和载荷下孤立的研究几何参数等对寿命的影响，而没有考虑拟动力学和热机耦合特性导致的轴承内部接触载荷与润滑状况随外载与转速的非线性动态变化。本项目以高速滚珠轴承拟动力学和热机耦合作用导致的内部接触与摩擦因素的非线性特征为切入点，拓展了基于轴承实际应用的外部约束和轴承自身结构的内部约束，以改进的ISO-IH疲劳寿命模型为对象，以完整的高速滚珠轴承疲劳寿命优化模型为目标，以高维参数的寻优为方法，寻找诸如转子支撑刚度、轴承几何结构、外部载荷、摩擦发热以及润滑状态等影响轴承疲劳寿命的强耦合参数的动态最优化匹配规律，并对理论分析的结果进行加速疲劳实验验证，为高速滚珠轴承的设计与使用以及延寿技术提供可靠的理论基础。

本项目基于拟动力学与热机耦合特征对矿用高速滚珠轴承的动态疲劳寿命进行了优化。.1.建立了一种基于空间解析几何的滚珠轴承虚拟二力杆拟动力学计算模型，推导出计算方程组，编制了相应的计算软件，研究了高速滚珠轴承的载荷分布。以218角接触球轴承为例，分析了不同结构参数和载荷对滚珠实际接触角、变形以及载荷分布情况的影响。.2.建立了高速角接触轴承计算变量传递关系及灵敏度模型，明确了参数耦合性，确定了最基本变量，使参数的耦合明朗化，分析了当内、外实际接触角发生变化时，滚珠公、自转转速，离心力，陀螺力矩及接触常数的变化。.3.通过傅里叶定律和热力学第一定律（能量守恒定律）建立常物性，无内热源，各向同性材料三维非稳态高速滚珠轴承热力耦合模型，分别研究了转速和载荷对轴承摩擦生热的影响。.4.基于ABQUAS软件运动耦合特性，建立起高速滚珠轴承保持架质心运动轨迹分析模型，研究了不同工况下，保持架的三维质心运动轨迹和质心涡动速度偏差比，分析出保持架的动态性能。.5.基于改进人工蜂群算法的高速角接触球轴承动态特性优化分析模型，结合人工蜂群算法对初值依赖性低的优点，提出了针对高速滚珠轴承大根差异特性的改进人工蜂群算法，并对高速运转的角接触球轴承内外圈接触角、变形量进行了对比与试验验证。 .6.基于有限元模型的轴承动力学特性模型，考虑轴承各元件之间的动态接触和变形关系，建立起高速角接触轴承的显式动力学模型。研究了不同工况下，保持架角速度—时间历程、保持架与滚珠之间的碰撞载荷—时间历程。.7.使用虚拟弹簧来替代油膜建立了高速滚珠轴承润滑分析模型。最终得到了角接触球轴承的非润滑状态有限元模型和利用虚拟弹簧模拟润滑的弹流润滑有限元模型。.8.采用X射线衍射分析研究了不同热处理温度下M50轴承钢的淬火性能，发现马氏体相对含量减少，残余奥氏体相对含量明显增多。最后采用超景深显微镜和摩擦磨损试验机对M50钢的三维形貌和磨损进行了分析，得出了不同热处理温度下M50钢的摩擦磨损规律。.9.以高速滚珠轴承拟动力学特性导致的内部接触非线性特征为切入点，基于改进的L-P 疲劳寿命理论，建立起轴承寿命延长分析模型。结合几何参数对密合度的影响，探究了几何参数单独变化下，轴承的旋滚比与寿命之间的影响机理。研究了各参数耦合变化下轴承寿命和旋滚比的变化规律，得出了各参数对轴承寿命灵敏度的优先次序。