[發(fā)明專利]一種角接觸機(jī)床軸承的精度壽命預(yù)測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310020335.9
• 申請(qǐng)日: 2023-01-05
• 公開（公告）號(hào): CN116186921A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉昊;陳星秋;王雪東;陳云;李殿中
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/20;G01M13/04;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 沈陽(yáng)優(yōu)普達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

1.一種角接觸機(jī)床軸承的精度壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：首先，軸承自身結(jié)構(gòu)參數(shù)賦值，包括：軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z；滾動(dòng)體直徑D，單位mm；軸承節(jié)圓直徑d_m，單位mm；軸承內(nèi)圈溝曲率系數(shù)f_i；外圈溝曲率系數(shù)f_o；初始接觸角α，單位度；其次，軸承材料屬性參數(shù)賦值，包括：滾動(dòng)體的材料密度ρ_ball，單位g/cm³；滾動(dòng)體材料彈性模量E₁，單位Gpa；滾動(dòng)體材料泊松比v₁；滾道材料彈性模量E₂，單位Gpa；滾道材料泊松比v₂；滾動(dòng)體粗糙度R_qb，單位mm；滾道粗糙度R_qr，單位mm；然后，潤(rùn)滑油屬性參數(shù)賦值，包括潤(rùn)滑油表面張力T，單位mN/m；潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度η，單位mm²/s；潤(rùn)滑油粘壓系數(shù)α_oil，單位mm²/kg；滾道側(cè)油膜厚度h_∞，單位mm；最后，軸承工況參數(shù)賦值，包括：軸向力F_a，單位N；徑向力F_r，單位N；轉(zhuǎn)速n，單位rpm；

步驟S2：基于粘著磨損Archard理論公式V_L＝K_sQvt/H，進(jìn)行軸承的精度壽命預(yù)測(cè)；

t＝V_L*H/K_sQv?(1)

其中，V_L為軸承失效時(shí)總的材料磨損量，K_s軸承材料的磨損系數(shù)，Q為滾動(dòng)體與滾道間接觸區(qū)域的法向載荷，v為接觸區(qū)域內(nèi)相對(duì)滑移速度，H為滾動(dòng)體和滾道材料中低硬度材料的維氏硬度，t為待求解的軸承精度壽命；因此，完成其中三個(gè)參數(shù)的求解，即磨損系數(shù)K_s、法向載荷Q、相對(duì)滑移速度v，再通過(guò)設(shè)定磨損量閾值V_L，即求得該軸承的精度壽命t；

首先，求解軸承材料的磨損系數(shù)，然而當(dāng)前并沒(méi)有相關(guān)理論公式計(jì)算磨損系數(shù)，而且磨損系數(shù)與軸承實(shí)際潤(rùn)滑狀態(tài)息息相關(guān)；所以采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)字計(jì)算結(jié)合的方法優(yōu)先確定磨損系數(shù)與潤(rùn)滑情況間的函數(shù)映射關(guān)系；其中，軸承實(shí)際工況的潤(rùn)滑條件以油膜參數(shù)Λ來(lái)表征潤(rùn)滑狀態(tài)，而即油膜參數(shù)與接觸區(qū)域油膜厚度分布有關(guān)；因此，需要構(gòu)建彈流潤(rùn)滑模型，計(jì)算軸承系統(tǒng)中滾動(dòng)體與滾道間接觸區(qū)域的油膜厚度分布；

彈流潤(rùn)滑的滾道油膜回彈函數(shù)模型如下：

其中，f(x)為初始時(shí)刻凹陷油膜厚度函數(shù)，具體分段表達(dá)式如下：

其次，基于流量相等原則推導(dǎo)油膜平衡方程如下：

其中，去量綱化R_y為赫茲點(diǎn)接觸區(qū)域橢圓短半軸的等效曲率半徑，R_x為赫茲點(diǎn)接觸區(qū)域橢圓長(zhǎng)半軸的等效曲率半徑，k＝R_y/_x；求解平衡方程(4)，即求得中心油膜厚度h₀，由油膜參數(shù)公式Λ＝求得油膜參數(shù)Λ；

通過(guò)球盤磨損試驗(yàn)與彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑模型結(jié)合確定的油膜參數(shù)Λ與磨損系數(shù)K_s關(guān)系曲線，對(duì)應(yīng)求得對(duì)應(yīng)油膜參數(shù)環(huán)境下的磨損系數(shù)K_s；

步驟S3：通過(guò)對(duì)軸承進(jìn)行受力分析，求得每個(gè)滾動(dòng)體與滾道接觸區(qū)域處的法向載荷Q；基于Hertz接觸理論可知，接觸區(qū)域內(nèi)任意微元面的法向接觸應(yīng)力為則接觸區(qū)域的法向載荷為p(x,y)在接觸區(qū)域面積內(nèi)的二重積分，即

其中，Q_max為滾動(dòng)體與滾道Hertz接觸區(qū)域中的最大接觸載荷，需要構(gòu)建力平衡分析模型求解滾動(dòng)體與滾道間的載荷分布；

步驟S4：通過(guò)對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求得接觸區(qū)域內(nèi)滾動(dòng)體與滾道間的相對(duì)滑移速度v；若考慮軸承在高速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，采用控制外圈及忽略陀螺樞軸運(yùn)動(dòng)的分析法；在軸承旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾動(dòng)體繞軸承旋轉(zhuǎn)軸做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)滾動(dòng)體與內(nèi)溝道接觸區(qū)域間沿X軸與Y軸方向均存在速度分量v_x和v_y；此外，滾動(dòng)體繞自身旋轉(zhuǎn)軸做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同樣具有自旋轉(zhuǎn)角速度分量ω_s；針對(duì)接觸區(qū)域內(nèi)任意微元面進(jìn)行速度矢量合成，通過(guò)對(duì)接觸區(qū)域面積進(jìn)行速度的二重積分，即求解滾動(dòng)體與滾道間的相對(duì)滑移速度如下：

步驟S5：通過(guò)設(shè)定精度壽命磨損量閾值V_L，聯(lián)合步驟S2中求得的K_s值，步驟S3中公式(5)求得的Q值，步驟S4中公式(6)求得的v值，統(tǒng)一代入Archard理論公式(1)中，即預(yù)測(cè)該軸承的精度壽命t＝3V_LH/(K_sQZv)。