角接触球轴承刚度理论计算与实验

采用坐标变换方法建立角接触球轴承滚动体接触变形的几何关系,根据Hertz弹性体接触理论推导了角接触球轴承刚度的解析表达式。理论分析了预紧力、接触角等对轴承刚度的影响。研制了轴承刚度测试实验台,将理论分析与实验结果进行了对比,结果表明:理论计算方法与实验结果的相对误差在10%以内,能够满足工程计算的需要。     

高速电主轴热态特性与动力学特性耦合分析模型

针对高速电主轴的耦合分析,考虑到结合面接触热阻和润滑剂黏温变化对其热态特性影响的同时,以轴承拟静力学模型描述了径向刚度函数,建立了一种高速电主轴热态特性与动力学特性耦合分析模型.分析了轴承离心力软化效应和热诱导预紧力硬化效应联合作用下的支撑刚度变化规律及其对主轴系统动力学性能的影响.仿真分析与实验结果验证了本文模型的有...     

混合预紧下高速电主轴涡动频率的理论研究

为了有效预测并控制高速电主轴的支撑刚度和临界转速,建立了角接触球轴承在混合预紧机理下的数值计算模型,对主轴系统进行有限元建模,耦合轴承组模型与转轴模型构成转轴-轴承模型.通过对整体模型计算获得主轴系统的动态特性参数,将结果反代入整体模型,进而进行循环迭代,从而研究主轴涡动频率.制定转轴-轴承模型动力学计算流程,研究了电主轴在不同工况下轴承支撑刚度和涡动频率等动态特性.理论计算结果表明:与传统计算方法相比,所建模型计算电主轴在高速运转时的动态特性具有更高精度.采用合理的预紧方式和预紧力有利于提高主轴系统在高速运转时的临界频率.     

定压预紧下角接触球轴承的动力学建模方法

针对定压预紧下的角接触球轴承在动态条件下的接触状态进行动力学建模.分析了定压预紧机理和受力特点,考虑了陀螺力和离心力的影响,基于Hertz接触理论,提出了一种角接触球轴承动态非线性模型的建模方法.通过对模型的数值迭代,确定了角接触轴承的动力学参数以及包括轴承内外圈在动态情况下的法向接触力、接触角、最大压应力、轴向位移、接触斑点和刚度值等动态接触参数集.设计了一个装有定压预紧轴承组的试验台,通过预紧力和转速调整,测量轴承在不同工况下内外圈的相对位移,与构建的模型进行了比对,验证了建模方法的正确性,为轴承生热量和疲劳寿命分析提供了理论依据.     

薄壁角接触球轴承轴向刚度分析及其实验

针对薄壁角接触球轴承刚度分析中的多体接触协调变形的情况,以71718轴承为例进行了薄壁角接触球轴承的轴向刚度特性研究．根据单元大小对分析结果的影响确定合理的单元尺寸;利用所确定的单元尺寸建立71718轴承的三维有限元模型,并对其轴向刚度进行分析;搭建轴承轴向刚度测试平台,并利用该平台对71718的轴向刚度进行测试．实验结果与分析结果的对比可知,利用Hertz解析解计算时误差较大,利用有限元法得到的解与实际测试结果误差在10％以内．     

全陶瓷主轴-轴承单元的动力学研究

目的研究全陶瓷电主轴预紧力与固有频率的关系,为优化预紧力提供软件分析模型.方法应用赫兹理论计算出在全陶瓷角接触球轴承预紧后的接触应力,接触变形和静接触刚度的数值解,同时在改进传统的弹簧阻尼式主轴动力学软件仿真分析模型的基础上,计及轴承预紧后轴承的静接触刚度,以全陶瓷主轴-轴承单元为研究对象进行有限元结构分析,所得结果通过赫兹计算分析的数值解矫正,分析其动力学特性.结果全陶瓷主轴-轴承单元模型通过模态分析所得三阶固有频率和振型与模态实验分别相差19.59%、1.27%、16.06%;而电主轴传统分析模型所得三阶固有频率和振型与锤击实验分别相差24.39%、14.47%、33.78%.结论通过实验数据验证,全陶瓷主轴-轴承单元模型在分析全陶瓷电主轴动力学特性上更接近模态实验的结果,能够得到更为准确的固有频率和振型.     

基于矩阵表达的高速角接触球轴承动态特性求解方法

三向联合受载的高速角接触球轴承广泛应用于航空航天、机床等领域,其动态特性的求解是研究轴承设计方法和计算转子系统特性的基础。在分析已有高速角接触球轴承动态计算方法的基础上,提出了根据滚动体高速运转时几何参数和力能参数的变化特征,将复杂的高速角接触球轴承动态方程组简化为两个首尾相连接的二力杆有限元模型的求解方法。并给出了刚度矩阵的具体形式和通过设定初始3个方向的受力求解矩阵组的过程。该方法改善了Newton-Raphson方法求解方程组参数耦合的复杂性。算例表明了该方法的计算结果与传统方法的一致性,可以替代传统的拟静力学方法。     

联合载荷下角接触球轴承静态接触特性分析

针对角接触球轴承结构进行静态接触特性分析,研究了联合载荷对结构接触特性的影响机制。依据赫兹接触理论,设定了求解接触应力与接触角的计算方法;利用ANSYS软件建立了角接触球轴承结构模型,并提出了加载方案及约束的设定方法;将仿真结果与赫兹理论结果进行对比,验证了本文建模方法、加载方式的正确性。最后,利用本文模型探讨了联合载荷下的接触应力、接触应变、接触角、接触椭圆的变化规律及影响,为复杂加载工况下轴承的设计及应用提供工程分析参考。     

不对中工况下双列角接触球轴承刚度特性分析

受安装技术影响,双列角接触球轴承安装过程中存在不对中情况,轴承刚度会受其影响。针对双列角接触球轴承,提出了一种含轴承不对中的双列角接触球轴承拟静力学模型,并进一步分析不对中分别与滚道曲率半径系数、间隙和预载荷等结构参数耦合时对刚度的影响。结果表明：随着不对中角度的增大,轴承的刚度逐渐减小;当不对中存在时,随着外滚道曲率半径系数增大,轴承的轴向刚度和角刚度逐渐减小,而径向刚度略有增大;轴承刚度随着内滚道曲率半径系数的增大而减小;随着轴向间隙的增大,轴承的轴向刚度和角刚度逐渐减小,径向刚度逐渐增大;随着径向间隙的增大,轴承的径向刚度和角刚度会有所减小,而同时轴向刚度略有增加;轴承刚度随着预载荷的增大而增加。     

基于轴承运行刚度分析的超高速磨削电主轴动态特性

高速电主轴正朝着高速重载与超高速轻载的方向发展,其动态特性研究是电主轴开发的关键技术之一.主轴超高速运行时轴承刚度的确定是整个研究过程的难点所在.基于滚动轴承的拟静力学模型,计算轴承的动态刚度,并考虑转速、初始预紧力、热预紧力及油膜厚度对轴承刚度的影响,确定出轴承的运行刚度.再以轴承运行刚度作为主轴支撑刚度,建立面向高速电主轴动态性能分析的参数化有限元模型,对主轴动态特性进行分析.分析结果表明,初始预紧力、砂轮悬伸长度、前后轴承跨距、前轴承对间距及电机转子内径等参数是影响磨削电主轴动态特性的关键因素.     

Vibration analysis of a single row angular contact ball bearing with the coupling errors including the surface roundness and waviness

Roundness and surface waviness are main manufacturing errors on the components of single row angular contact ball bearings(ACBBs). An analytical study for vibrations of the ACBBs with coupling errors including the roundness and waviness can be useful for the vibration control of the rotating machinery. However, most previous works only focused on the single error modelling method. In this paper, an improved time dependent displacement excitation(TDDE) model is proposed to consider the coupling errors including the roundness and waviness on the inner and outer races of an ACBB. The TDDE model for the roundness and waviness is established by using a combination of several sinusoidal functions. A dynamic model in the previous study is improved to consider the influences of coupling errors including the roundness and waviness. The Hertzian contact theory and Dowson's method are adopted to calculate the bearing contact stiffness. The time-and frequency-domain vibrations for the experimental and simulation results are compared to show some model validation. The influences of roundness orders and waviness amplitudes on the vibrations of the ACBB are analysed. The obtained results show that the coupling errors including the roundness and waviness have some influence on the time-domain impulse waveform and frequency-domain spectrum characteristics of the bearing accelerations. The differences of the vibrations between the coupling errors and sing error are from 4% to 42%. This paper can provide a useful guidance for the accurate diagnosis of surface imperfections in the ACBBs.     

基于Hertz接触的滚珠直线导轨副接触刚度建模与分析

为建立滚珠直线导轨副接触刚度模型,基于Hertz接触理论对滚珠和滚道的接触面进行了力学与变形分析.考虑了承载前后滚珠接触角的变化,得到了单个滚珠所受接触力与弹性变形之间的关系,在此基础上得到整个导轨所受外载荷同弹性变形的关系.以NSK滚珠直线导轨为研究对象,对所建立的模型进行仿真分析.计算了导轨在不同预紧力情况下的临界载荷,分析了外载荷在临界载荷前后导轨刚度变化情况,通过对比NSK官网相关资料验证了所建模型及理论分析的合理性.     

基于接触热阻的高速精密电主轴热特性分析

主轴系统热问题是高精度机床必须要考虑的关键问题,接触热阻的大小影响机床的传热性能,从而影响其加工精度. 利用表面接触的分形理论,计算接触面的量纲一的接触面积,针对接触微凸体的热阻由基体热阻和收缩热阻形成接触对,建立了一个考虑接触界面基体热阻和收缩热阻的表面接触热阻模型,讨论了不同的分形参数对接触热阻的影响. 以立式加工中心电主轴系统为研究对象,分析了电机的损耗发热和轴承的摩擦发热,运用有限元软件对电主轴模型在有无接触热阻2种情况下的稳态温度场和稳态热变形进行仿真分析. 讨论了有无热阻情况下电主轴温度和变形变化量,论证了接触热阻对电主轴热温度场和热变形的影响. 结果表明:电主轴考虑接触电阻时温度将升高,变形将增加.     

Constitutive model for shape memory alloy torsion actuator

Shape memory alloy ( SMA) torsion actuator is one of the key approaches realizing adaptive wings in airplanes. In this paper,the actuator is made up of SMA wires and a thin-walled tube,in which the SMA wires are twisted and affixed around the surface of the tube at an angle referenced to the center axis of the tube. A thermo-mechanical constitutive model is developed to predict the thermo-mechanical behaviors of the SMA torsion actuator based on the knowledge of solid mechanics. The relationship between the torsion-angle and tem- perature is numerically calculated by using the thermo-mechanical constitutive model coupled with the SMA phase transformation model developed by Zhou and Yoon. The numerical results are compared with the relative experimental results finished by Xiong and Shen. Influences of the twist-angle of SMA wires and geometrical factors on the primary actuation performances of the SMA torsion actuator are also numerically investigated based on the thermo-mechanical constitutive model coupled with the SMA phase transformation model developed by Zhou and Yoon. Results show that the thermo-mechanical constitutive model can well predict the thermo-mechanical behaviors of the SMA torsion actuator.     

Molecular Dynamics Simulation on Friction and Thermal Propertiesof FCC Copper in Nanoscale Sliding Contacts

面心立方单晶铜纳观滑动接触摩擦性能与热特性的分子动力学研究

佟瑞庭¹,韩宾²,张涛³,权泽芬⁴,刘更¹

(1. 西北工业大学 陕西省机电传动与控制工程实验室,西安 710072;

2.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061;

3.中国运载火箭技术研究院,北京 100076;

4.上海飞机设计研究院,上海 200232)

摘要：

在纳观滑动接触过程中,粘着效应和粘着力占主导地位,导致滑动接触表现出很高的摩擦力。绝大部分的摩擦功转化为摩擦热,而摩擦热会使纳米材料变软,并进一步影响摩擦行为,因此研究纳观滑动接触的摩擦性能与热特性具有重要意义。本文建立一个刚性圆柱压头与一个弹性基体纳观滑动接触问题的分子动力学模型。研究了不同滑动速度和不同压头半径情况下,基体的热特性以及摩擦行为。结果表明：在低速滑动时,摩擦力的波动主要是材料的熔化-凝固造成的,而在高速滑动时,材料的熔化是摩擦力降低的主要原因。随着滑动速度的增大,平均摩擦力先升高后降低,而基体的平均温度随滑动速度的增大而升高。增大压头的半径使基体温度有很大的提升,但压头半径对摩擦力的提升效应与高温对摩擦力的降低作用相互耦合,使得摩擦力仅呈现出较小程度的提高。

关键词：分子动力学;摩擦性能;热特性;纳观滑动接触

     

光机结构温度场计算精度方法的研究

接触热阻系数影响接触热阻值,进而影响热分析计算的精度。对摄远物镜系统的温度场计算精度的方法进行了研究,首先利用I-DEAS/TMG软件建立二维壳单元有限元模型,仿真计算稳态平衡工况,得到系统各部分的温度水平,然后与MSC.PatranNastran的三维体单元结构模型在相同边界条件下的稳态热分析结果进行对比,对比结果表明,接触热阻系数对系统的影响是显著的,在ZTC4与ZTC4之间的接触热阻系数应取160左右,而ZTC4与K9之间的接触热阻系数应为60左右。为光机结构的温度场精度计算提供了保障。     

接触问题对曲轴有限元分析的影响

为准确模拟曲轴的实际工作状况,利用软件ANSYS11.0对曲轴强度进行了三维整体模型有限元分析。采用轴承接触约束边界条件,模拟了曲轴与轴承之间的接触状态。以三缸液压约束活塞发动机曲轴为例,分析了接触约束对曲轴部件有限元结果的影响。结果显示：在压缩和拉伸工况下,最大等效应力和变形相差不大。说明,轴承接触有限元模型满足强度约束,能够比较真实地模拟曲轴工作的实际状况。     

The Printing and Firing Process of Al Paste in PTC Ohmic Contact Electrodes

Al electrodes are well known as ohmic contact electrodes for the PTC component , the influence of their thickness on final component properties was investigated by comparing their ohmic characteristics with the ones of InCa electrodes . After observing the Al paste physical and chemical behaviors during rising temperature by thermal analysis ( DTA ), the firing operation of Al electrodes could be divided into three main subsections : the temperature rising time ( tr ), the peak firing temperature ( Tp ) and the hold time at peak firing temperature ( th ). The effects of these three parameters on final component properties were discussed in detail.