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《天津大学》 2004年
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轴承数字化设计及其在高速陶瓷球轴承结构设计中的应用

陈锦江  
【摘要】:陶瓷球轴承是一种从金属轴承发展而来、尤其适用于高速和超高速的场合、有着广阔应用前景和巨大潜在经济效益的新型产品。高速陶瓷球轴承目前正处于起步发展阶段,需要做大量的理论分析和试验工作; 而相关的理论分析复杂,对编程计算要求高; 因而探索研究一套行之有效的设计方法与准则就尤为重要和迫切,这对于完善陶瓷球轴承的设计理论、充分发挥陶瓷球轴承的性能优势和促进推广应用具有特别的意义。本文以轴承拟静力学分析为理论基础,围绕着轴承的数字化设计和高速陶瓷球轴承的结构参数进行了相关研究,主要内容如下: 提出基于软件Matlab为平台的计算方法,首次得到了不同陶瓷材料的接触应力和变形等以前不易计算的数据,验证了这种方法具有简便可靠、适合于轴承计算、易于普及等优点。 深入分析了球轴承内部速度和运动,推导了相关拟静力学的关系式,提出了球径与球数相统一的函数关联法,并给出了求解步骤,为高速超高速陶瓷球轴承的参数设计奠定了基础。 在上述内容基础上,研究了高速超高速陶瓷球轴承的材料、球径、载荷、转速以及沟曲率半径系数等参数对轴承运转性能的影响,并且考虑了满足许用应力要求时的情况。首次确定了滚珠直径与不同转速之间的对应关系,得到了使外圈接触应力最小时的最佳球径、内圈旋滚比最大时的危险球径等若干结果。 阐述了有限元法分析接触问题的原理、内容和步骤,提出基于软件ANSYS中的接触分析模块来计算轴承接触问题的计算方法,极大地方便了使用者,从而开辟出轴承分析计算的又一新途径。基于这种计算方法,从最基本的球面-平面接触问题入手,依次对各种典型的Hertz接触进行了建模、边界条件的确定和计算结果的分析,印证了这个方法的正确性和可行性,得到了分析精度与网格大小之间的关系,以及不同转速、载荷下角接触陶瓷球轴承的最佳球径。 建立了测量接触刚度的试验系统,初步验证了理论计算的正确性。 研制开发了基于Matlab和ANSYS软件平台的轴承数字化设计原型系统,以用于高速陶瓷球轴承和普通球轴承结构参数的设计。
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