[发明专利]圆柱滚子多圆弧变曲率凸型工程模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆柱滚子多段变曲率圆弧组合进行Lundberg理论对数凸型的工程化模拟替代方法，可适用于圆柱滚子、圆锥滚子，以及同时针对滚子、内外套圈滚道的凸度设计。

背景技术

圆柱滚子轴承广泛应用于油气钻井、铁路机车、船运、汽车、冶金矿山和其他行业的各种机械设备中。研究表明，对于圆柱滚子轴承而言，普通的直母线滚子在受载后滚动体两端不可避免地会产生边界应力集中现象，即所谓的“边缘效应”，大大降低了轴承的接触疲劳寿命。

滚动轴承接触疲劳延寿的首要途径是设法降低滚动体与滚道之间的最大接触应力，而最大接触应力既受轴承整体载荷分布情况的影响，又与滚动体和滚道之间的接触表面轮廓密切相关，围绕滚动轴承系统的接触力学理论研究在其中扮演着重要角色。标准或通用滚动轴承行业的研究表明，在不对滚子轴承系统本体结构作较大变动的前提下，通过进行表面接触轮廓的微细几何外形设计改进(即凸度设计)，就能够显著改善滚子与滚道之间的接触应力分布，进而大幅度提高滚子轴承的接触疲劳寿命。

凸度设计一般包含凸型选择和凸度量计算两方面的内容。进行凸度设计的原则：一方面应最大限度地减少应力集中，提高轴承承载能力，延长轴承寿命；另一方面应力求加工制造的可能性和技术经济的合理性。

瑞典科学家G. Lundberg于1939年利用弹性理论的函数法，在预先设定接触应力沿轴线均匀分布、横向按抛物线函数分布的基础上，提出了滚子母线修形的基本理论，并提出了Lundberg对数凸型，随后不断得到完善和发展。在工程实际中先后采用的滚子凸型有全圆弧凸型、圆弧修正线型、理想修正线型、圆弧组合型、对数凸型、圆弧组合凸型等。1973年，美国润滑与摩擦学工程师学会(STLE)永久会员和研究员William J. Derner对两端圆弧修形滚子进行端空设计并申请了美国专利(US3713712)，给出了四种修形尺寸。P. M. Jones和R.Gohar于1981年为克服Lundberg对数凸型难以加工的不足，提出了一种组合圆弧凸型——Jones-Gohar凸型，也称修正Lundberg凸型。H.Reusner于20世纪80年代中期研究认为，虽然Lundberg理论对数凸型从理论模型上存在着一些与工程实际情况之间的不太吻合之处，但基于该理论对数凸型修正而得到的对数凸型仍然是当前工程界公认最佳的滚子凸型。

除通用滚子轴承行业之外，美国等西方国家在20世纪90年代还将滚子对数凸度设计技术推广应用牙轮钻头滚子轴承等非标滚动轴承行业。国内洛阳轴承研究所率先跟随国外开展了通用滚子轴承凸度设计的研究工作，从20世纪80年代到90年代先后完成了“超精研圆柱凸度滚子送料辊设计计算及工艺研究”、“变曲率对数母线凸度滚子超精研导辊设计计算及工艺研究”等课题。国内滚子凸度设计理论研究者的代表马家驹教授于1996年左右认为，将Lundberg理论对数凸型用于工程设计时存在缺陷，他认为基于有限长滚子与半无限空间接触模型而导出的Lundberg理论对数凸型与有限长滚子与圆弧状滚道(有限空间尺寸)的实际接触模型不太相符，在考虑了内外圈滚道半径对对数凸型设计的影响后，提出了一种改进的、适合于实际应用的工程对数凸型设计，不仅克服了接触副端部的边缘效应，而且考虑了接触区域长宽比的影响。台湾昆山科技大学的洪兴林等人自行推导出一种两圆弧—直线组合凸型滚子（中部是直线，两端是修形圆弧）的修形公式，得到计算应力分布的数值算法，并与有限元算法进行了比较，发现数值算法在重载时精度较高。大连铁道大学的魏延刚等人用有限元方法，对某汽车用两圆弧—直线组合凸型圆柱滚子的凸度量进行研究，分析了凸度量对接触应力和等效应力的影响，确定了最佳凸度量。上海大学陈晓阳教授等人近年来对热弹流问题中Lundberg理论对数凸型滚子的凸度量进行了修正，研究了对数滚子凸度量修正系数随工况参数的变化规律。为实现滚子素线呈对数型凸度，国内外广泛采用在超精机上，基于无心支承连续贯穿的方法，利用油石对于滚子的外表面进行超精加工，其过程较为复杂，影响因素较多，加工成本偏高，目前仅在国内部分通用轴承以及部分铁路客车轴承生产厂家得到了应用。

从整个世界范围内通用滚子轴承行业的发展及凸度设计的实际推广和应用情况来看，对数凸型滚子仍然属于一种高成本的精密加工制造技术。必须在降低加工制造成本，避免或降低边界应力集中方面继续进行滚子凸度设计的理论研究，推动和促进它的发展和应用。为此，近20多年来，国内外的研究人员纷纷寻找对数凸型滚子表面轮廓的近似替代方法，其中采用多圆弧组合的思路最具有代表性。