A new nonlinear force model to replace the Hertzian contact model in a rigid-rotor ball bearing system

A new nonlinear force model based on experimental data is proposed to replace the classical Hertzian contact model to solve the fractional index nonlinearity in a ball bearing system. Firstly, the radial force and the radial deformation are measured by statics experiments, and the data are fitted respectively by using the Hertzian contact model and the cubic polynomial model. Then~ the two models are compared with the approximation formula appearing in Aeroengine Design Manual. In consequence, the two models are equivalent in an allowable deformation range. After that, the relationship of contact force and contact deformation for single rolling element between the races is cal- culated based on statics equilibrium to obtain the two kinds of nonlinear dynamic models in a rigid-rotor ball bearing system. Finally~ the displacement response and frequency spectrum for the two system models are compared quantitatively at different rotational speeds, and then the structures of frequency-amplitude curves over a wide speed range are compared qualitatively under different levels of radial clearance, amplitude of excitation, and mass of supporting rotor. The results demonstrate that the cubic polynomial model can take place of the Hertzian contact model in a range of deformation.

Calculation of high-speed abrasion forces for ceramic coatings based on the Hertzian contact model

Aero engine seal coatings can effectively improve the air tightness of aircraft engines and increase fuel efficiency.However,due to the frictional forces between the blades and the coating,the coating often flakes off,resulting in damage to the blades and causing eco-nomic losses.Therefore,it is necessary to analyze the friction between the blades and the coating.In this paper,three ceramic-based high-temperature seal coatings with different polyphenylene ester contents and a pure Yttria-stabilised zirconia coating were prepared by atmo-spheric plasma spraying(APS).The hardness and modulus of elasticity of the coated surfaces were obtained by hardness and modulus of elasticity tests,and the coatings were subjected to high-speed touch abrasion tests.The Hertzian contact model was used to calculate the maximum normal contact load on the coating during the process.The test values were compared with the theoretical values and it was found that the calculated values were always greater than the test values.In order to make the Hertzian contact model more accurate in calculating the touching and abrasion forces,the contact coefficients in the Hertzian contact model were optimized.Substituting the optimized coeffi-cients into the Hertzian contact model,the results show that the calculated results after optimizing the coefficients are much closer to the test values,with deviations from the test values ranging from 1%to 38%.

电机轴承润滑油膜电容计算与试验研究

为获得轴承运行条件下油膜的电容参数,基于有限元软件建立包含轴承内圈、滚动体、保持架、外圈、润滑脂的计算模型,分析轴承在运行条件下的电场分布,并计算轴承各导体的电荷量,求得多导体轴承系统的电容矩阵,从而求得在该条件下6016深沟球轴承的油膜电容为0.169 nF。根据轴承油膜电容产生的原理,搭建轴承油膜电容试验台,得到6016深沟球轴承油膜电容的测试值为0.194 nF,与其他计算方法相比,文中方法计算值与测试值误差最小,确认了该方法的准确性。

A parametric study on the contact stress of half toroidal continuously variable transmission

The most general contact in mechanical transmission is the elliptical one. In particular, a toroidal continuously variable transmission (CVT) has an elliptical shape in the contact area under the elastohydrodynamic lubrication regime, where the shearing of the fluid subjects to high contact stress and transmits the power. Many parameters affect the contact service performance of the half toroidal CVT, which include the properties of the contacting material (Young抯 modulus), operating parameters (input torque and maximum traction coefficient) and geometrical parameters (aspect cavity ratio, curvature ratio and half cone angle of the power roller). In this paper, the contacts between the input disk, the power roller and the output disk are formulated using the classical Hertzian contact theory. Based on the formulated equations, different system parameters, which affect the maximum Hertzian stresses, are compared. The comparative results will provide some observations of the relations between the maximum Hertzian stresses and transmission ratios in the form of graphs. These graphs give useful information for designer to know the maximum Hertzian stress during operation in such systems.

Ideal Failure Curve of Rolling Contact Bearings

The prevailing cumulative failure curves of Rolling Contact Bearings (RCB) have two main drawbacks: they begin at the origin and have a large dispersion. The purpose of this study is to develop an ideal failure curve and overcome the present drawbacks. The ideal failure curve of RC bearings is obtained by applying a water-free lubricant to the tested bearings. This eliminates the cavitation erosion from the Bimodal failure mechanism and the synergistic effect with the mechanical failure mode. This new concept considers the fatigue process involved in the failure mechanism and suggests decreasing the dispersion of bearing life.

基于半赫兹接触的车轮磨耗预测分析

为了对比赫兹与半赫兹接触算法在轮轨磨耗仿真过程中的差异,建立CR400BF动车组动力学模型,分别基于赫兹接触与半赫兹接触算法(STRIPES)进行长距离仿真,用Archard磨耗模型计算磨耗量,以实测250000km踏面磨耗量为参照分别比较两种算法的计算结果。结果表明:不同钢轨廓形对应磨耗量及磨耗分布差异明显;不同磨耗里程下半赫兹接触的接触斑形状差异明显,接触斑面积逐渐增大且最大接触应力逐渐减小;磨耗前期,两种接触算法得到的磨耗量及磨耗分布差异不大,且与实测结果较为接近,但磨耗中后期,两种算法得到的磨耗量较实测结果都偏大且半赫兹接触较赫兹接触更加符合实测结果,原因在于随着磨耗里程增大,轮轨接触不再满足赫兹接触假设。

二维颗粒结构中非线性波的传播和脉冲衰减

有序颗粒介质在冲击振动缓解、能量捕获和吸收等领域具有重要的研究价值。本文运用赫兹接触理论建立二维颗粒链数学模型,在冲击激励作用下,研究二维颗粒系统中脉冲波的传播特性、能量传递规律和传递力的降低机理。二维均匀颗粒系统嵌入了耦合颗粒以传递动能,初始脉冲激励在2列颗粒链间发生能量交换和脉冲等分现象,脉冲波在激励施加点附近发生强能量散射,激发出混合型的非线性波,即纵向传播的近零频率孤立波与横向高频剪切波。与一维均匀颗粒链相比,二维颗粒系统的末端传递力峰值得到了大幅度降低。通过改变颗粒间的质量比,在二维均匀颗粒链中引入轻珠链构成非均匀结构,沿纵向传播的孤立波在轻-重颗粒交界面发生反射,能量被局部约束在轻珠链中,使得一系列低幅值脉冲波按照不同的波速,延时释放到颗粒链末端,导致末端传递力峰值的进一步降低。

基于FASTSIM和TRIAL算法的轮轨切向接触模型研究

为简化轮轨接触切向计算,基于FASTSIM算法和TRIAL算法提出了一种新的非赫兹切向算法。考虑到FASTSIM算法中不真实的抛物线边界,提出的算法采用椭圆接触边界,显著提高了切应力的计算精度,解决了非赫兹接触条件下蠕滑力不饱和的问题。以CONTACT模型为参考,通过大量轮轨接触工况,验证了提出模型的计算精度、效率与稳健性。该模型可以被进一步应用于车辆-轨道动力学与轮轨损伤计算中。

等截面四点接触球轴承承载能力分析

等截面四点接触球轴承是工业设备中核心部件之一,实现两部件之间的载荷传递和相对运转,较高的使用频率、冲击载荷、材料的原始缺陷等极易造成薄壁四点接触球轴承损伤,影响工业设备工作精度和效率。通过赫兹接触理论进行接触应力和接触面积的理论分析,获得滚动体与滚道接触区域接触应力和接触面积的解析解。建立滚动体与滚道接触有限元验证模型,通过与赫兹接触理论进行对比,验证数值模型的有效性。最后,运用验证过的滚动体与滚道接触有限元模型对滚动体与滚道接触区域承载能力进行分析。本文的研究有利于提高工业设备等截面四点接触球轴承承载能力的计算精度,为等截面四点接触球轴承的研发设计和优化设计提供可靠的手段和依据。

车轮多边形情况下轮轨接触算法

接触斑的法向应力分布是轮轨动力学分析和轮轨磨耗计算的基础。铁路车辆采用的磨耗型踏面出现多边形时,接触点处的轮轨横向曲率和纵向曲率都随接触位置的变化而变化,此时最常用的赫兹接触方法的精度难以保证。非赫兹方法的计算精度高,但其效率不能满足工程计算要求。应用非赫兹方法分析了车轮多边形引起的轮轨纵向曲率变化对接触斑的影响,发现当车轮多边形波长大于65 mm时,多边形对接触斑应力分布的影响可忽略不计。然后提出了改进的半赫兹方法,并对不同接触位置的接触斑形状和应力分布进行对比分析,结果表明:多边形波长大于65 mm时,改进的半赫兹方法在与非赫兹方法的结果保持一致的同时,大大缩短了计算时间。

模具曲面抛光时表面去除的建模与试验研究

提出用表面去除廓形来描述模具表面在垂直于抛光轨迹方向的抛光去除量。在假设抛光工具与模具自由曲面的接触服从椭圆赫兹接触的前提下,利用提出的抛光去除系数推导了表面去除廓形的理论方程。仿真和试验结果揭示了抛光表面去除的规律,验证了表面去除廓形的理论模型。

双螺母定位预紧滚珠丝杠副轴向接触刚度分析

提出一种新的滚珠丝杠副刚度分析方法,建立螺母所受轴向力与滚道正压力之间的关系,分析滚道接触点处的法向变形与螺母相对于丝杠的轴向位移之间的关系。综合考虑滚珠、螺母和丝杠滚道的几何参数,将接触角、公称半径以及螺旋升角作为未知量,建立滚珠丝杠副接触角模型。在此基础上,根据Hertzian接触理论建立了滚珠丝杠副的轴向刚度模型,该模型综合考虑了接触角的变化与滚道正压力之间的耦合关系。根据所建立的刚度模型分别研究了单螺母滚珠丝杠副和双螺母定位预紧滚珠丝杠副的刚度特性。研究结果表明,对于几何参数相同的滚珠丝杠副,在外加轴向力较小时双螺母预紧滚珠丝杠副的刚度明显大于单螺母滚珠丝杠副,随着外加轴向力的增大它们的刚度值逐渐趋近,最后达到相同;双螺母定位预紧滚珠丝杠副的预紧力越大,初始刚度值越大。

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。

基于Hertz接触理论的转子碰摩模型

对转子系统转、定子碰摩故障的过程进行了研究 ,建立了一个基于Hertz接触理论的转子非线性碰摩模型。通过对不同碰摩模型进行理论分析及数值仿真的对比研究表明 :基于Hertz接触理论的非线性碰摩模型能更深刻地反映转、定子碰摩过程的本质特征 。

基于半赫兹接触的车轮磨耗计算

为了分析轮轨接触模型对车轮磨耗计算的影响,基于半赫兹接触、赫兹接触和Kalker完全理论程序CONTACT分别计算轮轨接触应力和接触斑形状,并在Kalker简化理论基础上求解半赫兹接触的蠕滑力;基于Archard磨耗模型,计算车轮磨耗深度在踏面上的分布.计算结果表明:由于半赫兹接触考虑了接触斑内曲率的变化,则接触斑形状和最大接触应力比赫兹接触更接近于CONTACT计算结果;在大自旋蠕滑工况下,应用半赫兹接触得到的横向蠕滑力与CONTACT计算结果有较大偏差,其余工况相差不超过18%;基于半赫兹接触的FASTSIM计算时间约为基于赫兹接触的6倍,是CONTACT计算时间的1/166;半赫兹接触时,考虑弹性滑动速度的车轮磨耗深度更接近于CONTACT计算结果.

基体表面粗糙度对磁控溅射TiN涂层界面结合力的影响

利用球与平面的赫兹接触应力分布的经验修正公式[1] ,对磁控溅处理前的基体表面粗糙度对沉积层和基体的界面结合力进行了研究 ,并和其他涂层界面结合力的测量方法进行了比较。结果表明 :基体表面粗糙度对界面结合力有很大影响 ,表面粗糙度的改善有利于 Ti N层 /基体的界面结合力的提高 ,同时改善了 Ti

基于车轮磨耗寿命预测的轨道参数研究

为研究轨道参数对车轮磨耗寿命的影响,以C80型货车为例在SIMPACK软件中建立车辆-轨道动力学模型,利用傅里叶逆变换将轨道不平顺的功率谱密度从频域转换为时域;基于半赫兹接触理论、FASTSIM算法和Zobory磨耗模型在MATLAB中编制车轮磨耗仿真程序,分析轨道曲线半径、轨距、钢轨轨底坡、钢轨型面、轨道不平顺和轮轨摩擦因数对车轮磨耗的影响。计算结果表明:曲线半径从400 m增加到2 000 m后,段修磨耗寿命增加5.1倍;轮缘磨耗减小13.4倍;当轨距从1 430 mm增加到1 435 mm和1 440 mm时,磨耗寿命分别增加了12.6%和27.5%;轨底坡从1/20减小为1/30,1/40和1/50时,段修磨耗寿命分别增加3.7%,7.4%和6.9%;采用CN75钢轨和UIC60时的磨耗寿命较CN60钢轨分别增加20.1%和13.9%;五级谱、六级谱和三大干线谱时磨耗寿命较四级谱时分别增加21.4%,35.9%和26.0%;轮轨摩擦系数为0.25、0.4和0.55时,磨耗寿命较摩擦因数为0.1分别减少24.2%,24.8%和22.3%。

磁控溅射TiN界面结合强度的压痕法测试

在试验的基础上提出了测量 Ti N涂层界面结合强度的弹塑性赫兹接触应力经验修正公式 ,作为应用实例测量了不同基体表面粗糙度对磁控溅射沉积的 Ti N涂层界面结合强度的影响 .将测量结果与其它测量方法所得结果进行了比较 ,证明提出的方法切实可行 .

铁路货车参数对车轮磨耗影响的仿真研究

为研究铁路货车参数对车轮磨耗的影响,在确定车轮磨耗仿真原理的基础上,采用轮轨半赫兹接触模型、FASTSIM算法和修正后的Zobory车轮磨耗模型以及车辆—轨道系统动力学模型建立车轮磨耗预测模型,仿真研究转向架结构型式、一系定位刚度和轴距以及车轮直径、车速对车轮磨耗的影响。结果表明:与装用摆动式和交叉支撑转向架相比,装用径向转向架能有效地减轻轮缘磨耗,并能增加车轮段修磨耗寿命;一系纵向定位刚度从9MN·m-1增加到21MN·m-1后,车轮段修磨耗寿命减少33%,轮缘磨耗增加124.7%;轴距从1.6m增大到2.4m后,车轮段修磨耗寿命减少36.6%,轮缘磨耗增加180.2%;车速从60km·h-1增加到120km·h-1时,车轮段修磨耗寿命降低45.0%,磨耗面积增加74.2%;车轮直径从800mm增加到915mm后,车轮段修磨耗寿命增加30.5%,轮缘磨耗减小20.1%,因此增大车轮直径可以减小大轴重货车的车轮磨耗。

铝合金车轮CNC机械抛光材料去除深度建模方法研究

为解决铝合金车轮CNC机械抛光时材料去除的均匀性问题,在假设抛光工具与铝合金车轮表面的接触服从椭圆赫兹接触的前提下,利用Preston方程推证了车轮抛光时沿抛光轨迹在抛光点处的材料去除深度理论模型。模型表明,材料去除深度与法向抛光力的三分之二次方成正比,与进给速度成反比,与抛光工具和车轮的相对速度切向分量成正比。此外,刀触点的等效半径对材料去除深度有显著影响。仿真和试验结果有较好的一致性,说明该建模方法是可行的。