钢丝滚道球轴承的接触疲劳、磨损及点蚀机理研究

钢丝滚道球轴承被广泛应用于大型雷达天线、飞行器仿真转台和数控回转工作台等精密装备。然而倾覆力矩、摩擦力矩、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，针对该现象国内外目前尚无妥善的解决办法。本项目将其视为接触问题进行对待，鉴于现有研究未能真实描述接触面的摩擦效应，结合接触力学、摩擦学和材料学知识，提出基于椭圆域非局部摩擦效应的预紧定量描述模型和弹-塑性接触分析方法；考虑几何与材料非线性、复合载荷分布以及非局部摩擦等复杂接触边界条件，采用解析法、数值模拟法及实验方法，建立轴承接触体内部的接触应力场和5自由度接触刚度的数学模型，构建基于接触动力学的弹-塑性接触破坏预测方法，获得接触体发生疲劳、磨损及点蚀的特征、规律和机理。本项目的研究成果将为接触体的新材料及新工艺研究奠定理论和技术基础，对提高先进装备的水平有广泛的促进作用。

钢丝滚道球轴承被广泛应用于大型雷达天线、飞行器仿真转台和数控回转工作台等精密装备。然而倾覆力矩、摩擦力矩、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。本项目将其视为接触问题进行对待。. 首先，在对钢丝滚道球轴承轴系的空间力系进行分析的基础上，基于库伦定律、滚动摩阻定律和空间力偶等效定理，结合接触力学、摩擦学和材料学知识，建立了其起动力矩与预紧量关系的数学模型，形成了一套准确确定轴系预紧量的方法。. 其次，为了更好地理解钢丝滚道破坏的发生，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接触体内部任意点的位移场和应力场。. 再次，根据非协调性Herz接触理论、余弦定理和洛必达法则，建立了轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩载荷的载荷分布模型。并根据叠加原理和柔度的定义，建立了5自由度复合载荷作用下的刚度矩阵数学模型，并提出了其数值计算方法。. 然后，考虑接触表面上微凸结构所引起的非局部摩擦效应，采用统计学方法确定钢丝滚道表面上非局部摩擦效应的作用半径，建立三维粗糙表面实体模型，基于该模型建立球-钢丝的接触模型，对滚动体与钢丝滚道之间的接触行为，在ANSYS中进行了有限元模拟。. 最后，进行接触破坏实验研究，获得接触体发生疲劳、磨损及点蚀的特征、规律和机理。收集脱落颗粒、制作试样，在激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜下观察其组织形貌。结果表明：滚动体与钢丝滚道接触过程中，接触表面上的微凸结构首先发生接触，产生应力集中和塑性变形；最大剪切应力存在于接触区表层以下的某一深度处，循环交变应力作用下，接触疲劳裂纹在此处产生，然后向两侧或者表面扩展合并，最终脱落形成点蚀，同时加剧接触体间的磨损。. 通过本项目资助，发表SCI论文2篇、EI论文4篇、出版专著1本、培养硕士研究生2名以及申请专利1项。本项目的研究成果将为接触体的新材料及新工艺研究奠定理论和技术基础，对提高先进装备的水平有广泛的促进作用。.