基于非理想Hertz线接触特性的圆柱滚子轴承局部故障动力学建模

传统方法对圆柱滚子轴承局部故障动力学的分析都是基于Hertz线接触理论,然而当轴承的滚子为凸度形状时,滚子素线不为直线,滚子与滚道之间的接触问题已经超出Hertz线接触理论的范畴。针对这个问题,以滚道表面存在局部故障的圆柱滚子轴承为研究对象,提出考虑滚动体与内外圈滚道之间非理想Hertz线接触特性和时变位移激励的圆柱滚子轴承局部故障动力学模型,研究位移激励形式和局部故障尺寸对圆柱滚子轴承振动特性的影响规律。研究表明,该模型能克服传统的线接触经验公式无法考虑滚子与滚道曲率的缺点,能更加准确反映圆柱滚子轴承滚道表面局部故障与滚动体接触的实际情况,为滚动轴承早期局部故障动力学分析和诊断工作提供新的计算方法和一些有价值的结论。

三排柱式回转支承非理想Hertz接触特性分析

传统方法对三排柱式回转支承的滚柱与滚道间的接触分析都是基于Hertz接触理论,然而滚柱与滚道的实际接触超出了Hertz接触理论的范围。针对该问题,重点研究了滚柱与滚道的非理想Hertz接触特性,得出了接触变形及接触应力沿滚柱轴向的变化规律。结合McEwen关于圆柱体法向接触理论,推导了滚柱与滚道接触区内部的应力场各应力分量解析表达式,并讨论了滚道失效与应力之间的关联。最后,建立了滚柱与滚道接触的3D有限元模型,仿真结果表明,接触区的应力分布与解析解基本吻合,结论可为三排柱式回转支承的设计与制造提供参考。

基于非Hertz接触理论的连续切换轮辊子变形分析

介绍了一种目前广泛应用于移动机器人领域的连续切换全向轮。通过分析辊子的几何模型,建立辊子轮廓面的参数方程,并提出了两相邻辊子间间隙应满足的条件。根据全向轮与地面的接触条件,提出了基于非Hertz(赫兹)接触理论分析轮缘处辊子与地面接触的变形情况,并将结果与ANSYS有限元方法对辊子接触变形进行对比验证。为此类连续切换轮的结构分析及减小振动提供了理论基础。

非Hertz接触齿轮设计理论与方法

Hertz接触认为接触表面是静止的、光滑的、没有润滑的,是一种理想的接触状态。实际齿轮接触表面是有一定粗糙度的、有润滑的、相对运动的,所以实际齿轮的接触是一种非Hertz接触。基于弹流润滑理论,提出一种新的齿轮设计理论与方法——非Hertz接触齿轮设计理论与方法,该理论和方法综合了影响齿轮接触强度和润滑的各种因素,保证齿轮同时满足强度与弹流润滑的双重要求。给出了圆柱齿轮的设计公式,并通过大量工程实例对新的设计理论和方法进行了检验,结果表明,所提出的非Hertz接触齿轮设计理论与方法完全可以用于齿轮的工程设计,满足工程实际需要,特别是对高速重载齿轮设计具有重要的理论意义和实用价值。

基于Hertz接触的滚珠丝杠副结合部刚度特性分析

滚珠丝杠副传动时,螺母滚道和丝杠滚道与滚珠的接触方式是一种典型的非线性接触。基于弹性力学中Hertz接触理论,分析计算双螺母预紧滚珠丝杠副的轴向接触刚度。以某型号预紧双螺母滚珠丝杠副为例,建立其所受载荷与轴向接触变形的函数映射关系,推导其结合部接触刚度计算方法。针对其空载与承载两种不同状态,计算其结合部轴向接触刚度,并着重讨论了载荷对接触刚度的影响规律。基于有限单元法,对接触刚度计算结果进行数值验证,结果表明所建立的结合部接触理论模型能快速、准确的计算双螺母滚珠丝杠副的接触刚度,具有一定的理论价值和工程意义。

基于Hertz弹性接触的船舶推进轴系非线性校中计算

针对大型商船推进轴系中尾管后轴承,且尾轴在螺旋桨重量作用下存在弯曲变形,导致尾管后轴承后端存在边缘载荷的特点,研究了轴系校中计算中尾管后轴承Hertz接触模型的非线性建模方法。以第二代四十万吨矿砂船轴系为对象,采用平面梁单元,建立轴系校中有限元模型;同时将尾管后轴承分成多个轴承分段,使用Hertz接触模型模拟各个轴承段与轴的接触形态,并用迭代法求解了具有非线性边界条件的梁单元有限元模型。对根据尾管后轴承单支点模型的计算结果确定的几组尾管后轴承SLOPE值进行了计算对比。研究发现,基于Hertz弹性接触的尾管后轴承多点支承的非线性模型,可以得到尾管后轴承的最大接触压力、各个轴承段的支反力等分布情况,可以更好地优化尾管后轴承的SLOPE设置,要优于传统的单支点固定约束模型。

直线滚动导轨非赫兹接触静刚度模型

为建立导轨非赫兹接触静刚度模型,首先给出并求解了一般性点接触问题的基本方程,将其应用到单滚动体和滚道的非赫兹接触问题中进行非赫兹接触分析;其次用拟合精度较高的四阶线性方程拟合出了单滚动体和滚道的静刚度模型;再次基于齐次坐标矩阵法与单滚动体和滚道非赫兹接触静刚度模型建立了滚动导轨非赫兹接触静刚度模型;最后以某一滚动导轨为例求解并分析了非赫兹接触下的五自由度静刚度,结果表明用赫兹接触理论求解非赫兹接触下的导轨静刚度误差最大可达33%。

钢轨磨耗预测模型及其算法的优化

基于车辆—轨道动力学仿真、轮轨非Hertz滚动接触模型和钢轨材料磨损模型建立钢轨磨耗预测模型;针对用传统算法计算钢轨磨耗所得到的钢轨型面有"毛刺"的现象,提出根据接触斑离散网格边界存在的法向力扩展离散区域的优化算法,使离散区域总是能覆盖全部的接触斑,消除了"毛刺"现象,并且计算得到钢轨接触区域的参数与传统算法的较为接近,验证了优化算法的可靠性和准确性。以某重载铁路曲线段为例,采用给出的钢轨磨耗预测模型及优化算法预测钢轨的磨耗量,并将外轨圆曲线中点处钢轨磨耗量的预测结果与实测结果相比,结果表明:由优化算法计算得到的钢轨型面更加平滑,预测值与实测值的吻合程度高。

转体桥混凝土球铰磨心接触应力参数分析

混凝土球铰磨心是转体桥梁的关键构件,对表面接触应力的准确分析与掌握直接影响工程设计以及施工阶段的质量与安全。以球铰磨心表面接触应力为目标,基于非赫兹接触的理论解法及有限元数值模拟,对球铰接触应力进行计算,做出球铰接触应力分布曲线,对比不同球铰设计参数的最大接触应力值,分析球铰设计参数与最大接触应力的关系。

航天用开关电器接触系统非线性振动特性的研究

执行航空、航天任务的开关电器的可靠性指标与耐力学环境指标正逐步提高。本文针对我国该类产品抗振性不足的特点,建立了其接触系统非线性振动特性分析数学模型,通过无阻尼自由振动特性分析与正弦振动条件下的强迫振动特性分析,确定了系统所具有的软弹簧特性。同时,采用了多尺度法分析了触簧刚度、阻尼率及激振力等参数对于系统振动特性的影响,所得结论对于开关电器抗振性设计具有一定的理论意义与实用价值。

空心圆柱滚子接触变形的一种计算方法

空心圆柱滚子与套圈间的接触属于非Hertz接触问题。通过对空心圆柱滚子接触特性的分析,发现空心滚子与内、外圈具有线接触变形和本身弹性弯曲变形的双重特性,把空心度作为影响接触变形的一个重要参数,提出了一种计算空心滚子接触变形的方法。该方法计算的结果与有限元方法获得的结果进行对比,结果表明:对于3种不同规格的滚子分别在不同空心度及外载荷的情况下,两者计算结果相当吻合,该计算式可作为空心滚子接触变形计算的一个参考公式。

三种非赫兹滚动接触模型的对比研究

在轮轨损伤计算中,为了提高轮轨滚动接触解的求解效率与精度,常采用简化的非赫兹滚动接触模型。然而,此类模型的精度及适用性仍未得到充分的验证。以我国高速铁路常见的两种标准车轮型面(LMA和S1002CN)与标准CHN60钢轨的匹配状态为例,采用三种典型的非赫兹滚动接触简化模型(KP、STRIPES和ANALYN)进行模拟,以CONTACT的结果作为参照,对比简化模型在预测具体轮轨接触斑形状、接触应力和黏滑分布等详细接触计算结果的准确性。采用统计的方法,使用UM动力学软件进行仿真输出接触参数,评估不同接触模型在实际车辆运行工况下的计算精度。计算结果表明:上述三种简化模型的计算精度在处理LMA-CHN60接触工况时最优。而S1002CN廓形存在明显的局部曲率突变,简化模型的计算精度在处理该种工况时较差。在三种模型中计算详细接触解时ANALYN模型精度最高;只计算接触参数时KP模型与ANALYN模型的结果差异不大,但KP模型的计算不依赖于局部曲率且效率更高。

含间隙碰撞振动系统的非线性振动特性

基于广义Hertz接触理论,建立了含对称间隙结构的碰撞振动动力学模型,采用四-五阶Runge-Kutta法进行了数值求解,并通过分析不同频率比、激振力幅值和间隙下的分岔图、相图、Poincaré图和功率谱图研究了该模型的非线性振动特性.结果表明:随着频率比、激振力幅值和间隙的改变,碰撞振动系统出现了周期、倍周期和混沌运动;频率比和激振力幅值对系统的非线性振动特性影响很大,出现了较宽的混沌带,而间隙对系统响应的影响相对较小,但在较小间隙的变化范围内,系统的振动特性变化却较显著.

滚珠丝杠副中滚珠与返向器的碰撞研究

根据赫兹接触模型和经典碰撞理论,并考虑返向器与螺母的固连关系,建立了滚珠与返向器碰撞接触的力学模型,导出了碰撞力公式,并在考虑弹性恢复系数的基础上推导出了碰撞接触时间公式。设计专门的试验装置对碰撞接触的时间进行了测试,测试结果表明,新建立的模型比现有文献的模型更符合实际情况。在试验的基础上,利用数值模拟方法分析了碰撞角度、结构参数和材料参数等因素对碰撞力的影响。

机械高副机构的非赫兹接触应力精确计算研究

传递动力的高副机构,如摩擦轮、凸轮齿轮、链轮传动、滚动轴承、滚动螺旋等,都有接触强度问题,自然也涉及到接触应力。在此对非赫兹接触应力精确计算进行了研究,得到了4种计算公式。

密切接触的非赫兹接触应力

由于赫兹接触理论只适用于两曲面曲率不同的情形,当两曲面曲率相同时公式无效,必须采用新的方法。针对密切接触曲面,提出密切接触下的接触应力计算方法。首先把密切曲面展开成四阶级数的形式,然后利用契贝谢夫正交多项式转换成契贝谢夫级数的形式。根据接触应力与接触位移的对应关系,求出接触应力的分布规律,确定接触区宽度等对应参数。又针对具体的椭圆形密切接触曲面,举例计算了接触应力的分布函数,用计算机图形曲线描述了压力分布的规律,探讨了密切接触区的形成机制和载荷性能。

非概率法的钢轨可靠性分析

基于Hertz接触理论,以大秦重载铁路钢轨为研究对象,将HXD1型交流传动货运电力机车车轮和钢轨的曲率半径、材料弹性模量、泊松比及机车单轮重量和轮轨运行冲角等不定参量设为区间变量,运用非概率法进行强度可靠性分析。计算结果表明,HXD1型交流传动货运电力机车在大秦重载铁路钢轨上运行过程中,其钢轨强度可靠性满足使用要求,证明了非概率可靠度算法在钢轨强度可靠性研究中应用的可行性,为今后钢轨可靠性的研究提供了一种简单有效的方法。

不同车轮踏面与高速60N钢轨道岔静态接触特性研究

为研究不同车轮踏面与高速60N钢轨道岔断面的静态接触特性,针对我国高速动车组常用的LMA,S1002CN和XP55这3种车轮踏面,选择顶宽35 mm曲尖轨所在的60N钢轨道岔断面,根据MATLAB编写迹线法程序以及通过Kalker非赫兹滚动接触CONTACT软件,分别计算轮轨静态接触时的接触几何参数与接触力学参数,以此分析轮轨的匹配性能,同时探讨不同轨道参数对接触几何的影响。研究结果表明:当LMA踏面与该60N钢轨道岔断面接触时,其匹配性能最好,能够有效延长基本轨的承载效应,减缓尖轨的疲劳损伤;S1002CN踏面的匹配性能次之,其接触状态随轮对向曲线外侧的偏移而逐渐改善,具有较强的侧向过岔能力;XP55踏面的匹配性能在三者中最差,其廓形需要优化,以此提高轮轨匹配性能,减少接触应力的集中;适当增大轨距与轨底坡、减小轮背内侧距有利于改善轮轨接触状态,以提高轮轨匹配性能。

交错轴齿轮的接触强度分析

建立了互相啮合的渐开螺旋面齿轮副的曲面方程和啮合线的曲线方程 ,以多种数学软件和CAD软件作为辅助工具 ,应用三维弹性非赫兹滚动接触理论分析了啮合线上各点的接触应力分布情况 ,包括了各种啮合参数对接触强度的影响 ,为交错轴齿轮副的强度设计方法提供了理论依据。

考虑车轮不圆的轮轨法向接触问题研究

建立了描述车轮不圆的轮轨三维模型,并假设切向接触对法向接触不产生影响,采用非赫兹接触理论探讨了车轮不圆对轮轨法向接触的影响。分析了正常情况下车轮横移量对轮轨法向接触的影响,并研究了车轮二阶不圆且滚动1/3周的轮轨法向接触变化特性。计算结果表明,接触斑外形可能有多种形状;车轮不圆会引起较大的接触应力。