（化工过程机械专业论文）牙轮钻头圆柱滚子轴承接触力学性质及弹流润滑理论研究.pdf

、h z ，和 ，_占t，私、专； 叶 1_弋， ，、；。一zf 北京化工大学位论文二创性声明ff y 1 脚8 聊7 7 0 舢删9 f 2 删 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名： 口甘日 z 1 ) ) 易 日期：竺二! ! ：! ! ：f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在二年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：堡! ! ：至：么 日期：兰三! ! ：! 12 ， 、 学位论文数据集 中图分类号 t h i l 7 i 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 1 3 6 2 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名关佩学号 2 0 0 8 0 0 13 6 2 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 机械结构优化设计及理 课题来源国家自然科学基金研究方向 论 论文题目牙轮钻头圆柱滚子轴承接触力学性质及弹流润滑理论研究 接触力学，凸度设计，空心滚子，有限元分析，弹流润滑，多重网格 关键词 法 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 3 日论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师陈家庆教授 北京石油化工学院多相流分离 评阅人1王德国教授中国石油大学( 北京)摩擦学与表面技术 评阅人2高锦宏教授 北京石油化工学院机械电子工程 评阅人3陈家庆教授北京石油化工学院多相流分离 评阅人4 评阅人5 槲矮员蝴 王奎升教授北京化工大学机电一体化 答辩委员i高锦宏教授北京石油化工学院机械电子工程 答辩委员2俞建荣教授 北京石油化工学院焊接自动化 答辩委员3刘录教授北京石油化工学院流体密封技术 答辩委员4曹建树 教授北京石油化工学院机电一体化 答辩委员5王奎升教授北京化工大学机电一体化 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( 中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 i 羲。 l 。 牙轮钻头圆 要加快我国石油天然气的勘探开发速度，提高钻井工程技术的国际竞 争能力，提高钻头尤其是牙轮钻头的工作性能和工作寿命十分重要。现阶 段应综合应用接触力学、润滑理论等学科的知识，对滚子凸度设计、空心 圆柱滚子及其润滑状态等关键问题进行深入研究，进而研制开发长寿命、 高转速的滚动轴承牙轮钻头。 本文首先针对h e r t z 点接触问题的求解方法进行了研究，得到了关于 点接触问题精确高效的完全数值算法；从计算速度、计算精度和计算方便 性等方面对几种典型算法进行了对比研究，得出了各算法在不同条件下的 适用情况；并将完全数值算法应用于牙轮钻头滚动轴承中的全圆弧凸型滚 子，分析了其接触参数在不同条件下的变化。然后，采用m s c m a r c 有限 元软件对迄今常见代表性凸型滚子的应力分布规律和特点进行了分析，提 出采用多段变曲率圆弧组合替代l u n d b e r g 理论对数凸型的工程化模拟技 术，给出了较为合理的圆弧组合数目；分析了空心圆柱滚子及其进行凹端 处理后的应力分布规律。结果表明，合理的空心度可减小接触应力的边缘 效应，但等效应力在滚子两端的应力集中始终存在；在相同空心度下，等 效应力和接触应力随载荷的变化规律不同；且不同载荷作用下，最佳空心 度的理论值不同；空心度较大时，滚子内壁等效应力会超过外壁成为危险 区域，同时应考虑弯曲应力的影响，避免滚子内壁发生弯曲疲劳断裂；较 之普通空心滚子，凹端空心圆柱滚子有效克服了滚子端部的应力集中现 北京化工大学硕士学位论文 象。最后，采用多重网格法对牙轮钻头实心圆柱滚子和空心圆柱滚子的弹 流润滑情况进行了分析，通过对无限长滚子线接触弹流润滑问题的研究， 揭示了实心圆柱滚子油膜压力和膜厚随载荷参数、速度参数和材料参数的 变化规律；空心圆柱滚子空心度的变化会引起速度参数和载荷参数的变 化，但并没有引起接触区域中部油膜厚度以及最小膜厚的明显变化；空心 度的增加可以降低油膜压力，但合理空心度的选取应考虑其对滚子内壁应 力分布的影响。有限长线接触弹流润滑中最大油膜压力和最小膜厚都位于 滚子端部，故滚子端部为易破坏部位；滚子中部润滑状况与无限长滚子几 乎一致，可按无限长处理；空心度对滚子端部润滑情况的影响与中部相同， 由于端部油膜压力大于中部，故二次峰值和最小油膜厚度较之中部都更靠 近出口区。 本文的研究成果为国内自主实现滚动轴承牙轮钻头的长寿命和高转 速化，乃至为工程实际中广泛存在的重载低速滚子轴承系统工作性能的提 高奠定了坚实基础，同时也值得标准或通用滚子轴承、铁路机车、冶金轧 机等行业的研究人员借鉴。 关键词：接触力学，凸度设计，空心滚子，有限元分析，弹流润滑，多重 网格法 、 i i s t u d yo nc o n t a c tm e c h a n i c sp r o p e r t i e sa n d e h lt h e o r yo fr o c k b i tc y l i n d i u c a lr o l l e r b e a r i n g a b s t r a c t i no r d e rt os p e e du pt h er a t eo fo i l & g a se x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ， a n di m p r o v et h ei n t e m a t i o n a lc o m p e t i t i o no fd r i l l i n ge n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ， i m p r o v i n g t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gl i f eo fb i te s p e c i a l l yt h er o c k b i ti s v e r yi m p o r t a n t c u r r e n t l yt h ek n o w l e d g eo fc o n t a c tm e c h a n i c s ， l u b r i c a t i o nt h e o r ya n do t h e rd i s c i p l i n e ss h o u l db eu t i l i z e dt oc a r r yo u ti n d e p t h r e s e a r c ho ns o m ec r i t i c a lp r o b l e m ss u c ha sr o l l e rc r o w n e dd e s i g n ，h o l l o w c y l i n d r i c a lr o l l e ra n di t sl u b r i c a t i o ns t a t u s ，t h u sr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g r o l l e rb e a r i n gr o c kb i tw i t hl o n gl i f ea n dh i g hs p e e d f i s to fa l l ，b ys t u d y i n gt h es o l u t i o nm e t h o do fh e r t z i a np o i n tc o n t a c t p r o b l e m ，t h ea c c u r a t ea n de f f i c i e n tf u l ln u m e r i c a lm e t h o dw a so b t a i n e d t h r o u g hc o m p a r a t i v es t u d yo fc a l c u l a t i o ns p e e d ，c a l c u l a t i o na c c u r a c y , a n d c a l c u l a t i o nc o n v e n i e n c eo fs o m et y p i c a la l g o r i t h m s ，t h ea p p l i c a b l ec o n d i t i o n o fe a c ha l g o r i t h mu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a so b t a i n e d a n dt h e nf u l l n u m e r i c a lm e t h o dw a sa p p l i e dt os i n g l e - a r cc r o w n e dr o l l e ri nr o c k b i tr o l l e r b e a r i n g ，t oa n a l y z e t h e c h a n g e o fc o n t a c t p a r a m e t e r s u n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s s e c o n d l y ，t a k i n ga d v a n t a g eo ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c i i i lr l 北京化工大学硕士学位论文 m a r e ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o m m o nr e p r e s e n t a t i v et y p e s0 fc r o w n e dr o l l e r s of a rw e r e a n a l y z e d i t i s p u tf o r w a r d t h a tt h e l u n d b e r gt h e o r e t i c a l l o g a r i t h m i c c r o w n e d t y p e c a nb e r e p l a c e da p p r o x i m a t e l yb y m u l t i p l e v a r i a b l e - c u r v a t u r ea r c s ，a n da c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h e a p p r o p r i a t en u m b e ro fv a r i a b l e c u r v a t u r e - a r cs e g m e n t sw e r ep r e s e n t e d a n d t h e nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fh o l l o wa sw e l la sc o n c a v e e n d e dh o l l o w c y l i n d r i c a lr o l l e rw a sa n a l y z e d i ti ss h o w nt h a t ，t h er e a s o n a b l eh o l l o wr a t i o c a nr e d u c et h ec o n t a c ts t r e s sc o n c e n t r a t i o ni n t h er o l l e re n d ，b u ti tc a nn o t a v o i dt h es h a r pe d g ee q u i v a l e n ts t r e s s u n d e rt h es a m eh o l l o wr a t i o ，t h e c h a n g eo fe q u i v a l e n ts t r e s sa n dc o n t a c ts t r e s si sd i f f e r e n tw i t ht h ec h a n g eo f l o a d s t h eo p t i m a lh o l l o wr a t i oi sa l s od i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n te x t r n a ll o a d s t h ee q u i v a l e n ts t r e s so nt h ei n n e rw a l lc a ne x c e e dt h ec o r r e s p o n d i n gv a l u eo n t h eo u t e rw a l l ，t h u sm a k i n gt h ei n n e rw a l lb et h ed a n g e r o u sa r e au n d e rl a r g e ，h o l l o wr a t i o t h eb e n d i n gs t r e s ss h o u l db ec o n s i d e r e di nt h em e a nt i m et o a v o i dt h eb e n d i n gf a t i g u ef a i l u r eo c c u r r e do nt h ei n n e rw a l lo fr o l l e r c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yh o l l o wr o l l e r ，c o n c a v e e n d e dh o l l o wc y l i n d r i c a l r o l l e rc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h ee n do fr o l l e r f i n a l l y , t h em u l t i l e v e lm e t h o dw a su t i l i z e dt oa n a l y z et h ee l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n ( e h l ) c o n d i t i o no fs o l i da sw e l la sh o l l o wc y l i n d r i c a lr o l l e ri n r o c kb i t t h ea n a l y s i so fe h lf o ri n f i n i t el i n ec o n t a c ti l l u s t r a t e dt h a tt h e c h a n g eo ff i l mp r e s s u r ea n dt h i c k n e s su n d e rd i f f e r e n tl o a dp a r a m e t e r s ， v e l o c i t yp a r a m e t e r s ，a n dm a t e r i a lp a r a m e t e r s t h ec h a n g eo f h o l l o wr a t i of o r i v h o l l o wc y l i n d r i c a lr o l l e r p a r a m e t e r , b u tw i l ln o t m i n i m u mf i l mt h i c k n e s sa tc e n t r a lc o n t a c ta r e a t h ei n c r e a s eo fh o l l o wr a t i o c a nr e d u c et h ef i l mp r e s s u r e ，b u tt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ni n n e rw a l ls h o u l db e c o n s i d e r e dw h e ns e l e c t i n gar e a s o n a b l eh o l l o wr a t i o t h ea n a l y s i so fe h lf o r f i n i t el i n ec o n t a c ts h o w e dt h a t ，t h em a x i m u mf i l mp r e s s u r ea n dm i n i m u mf i l m t h i c k n e s sw e r eb o t ha tt h ee n do fr o l l e r , t h e r f o r et h ee n do fr o l l e ri st h ee a s i l y d a m a g e da r e a t h el u b r i c a t i o nc o n d i t i o na tm i d d l ep a r to ft h er o l l e rc a nb e t r e a t e da si n f i n i t e ，d u et oi t ss i m i l a r i t yt ot h ei n f i n i t eo n e a tt h ee n dp a r ta n d m i d d l ep a r to fr o l l e r ，t h ei n f l u e n c eo fh o l l o wr a t i oo nl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n w a st h es a m e b e c a u s et h ef i l mp r e s s u r ea tt h ee n dw a sl a r g e rt h a nt h a ta tt h e m i d d l e ，t h es e c o n dp e a ka n dm i n i m u mf i l mt h i c k n e s sw e r eb o t hc l o s e rt o i n l e t z o n e t h er e s e a r c hr e s u l t se s t a b l i s h e das o l i df o u n d a t i o nf o ra c c o m p l i s h i n gt h e 1 0 n g - l i f ea n dh i g h s p e e do fr o c kb i tw i t hr o l l e rb e a r i n g ，f u r t h e m o r ei tc a nb e u s e dt oi m p r o v et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fh e a v y - l o a da n dl o w - s p e e dr o l l e r b e a r i n gs y s t e mw i d e l ye x i s t e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e i ti sa l s ow o r t ht ob e l e a m eb yt h er e s e a r c h e r si ns t a n d a r do ru n i v e r s a lr o l l e rb e a r i n g ，r a i l w a y l o c o m o t i v e ，m e t a l l u r g i c a lm i l la n d s oo n k e yw o r d s ：c o n t a c tm e c h a n i c s ，c r o w n e d d e s i g n ，h o l l o wc y l i n d r i c a l v 北京化工大学硕士学位论文 r o l l e r , f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，m u l t i l e v e l m e t h o d v i j i|11 - 1 2 1 弹性点接触问题求解方法的研究3 1 2 2 牙轮钻头常规轴承滚子凸度设计的研究4 1 2 3 牙轮钻头空心圆柱滚子接触力学性质研究6 1 3 圆柱滚子轴承弹流润滑理论的研究7 1 3 1 早期的润滑理论研究j 8 1 3 2 线接触弹流润滑研究9 1 3 3 计算方法概述1 0 1 3 4 牙轮钻头圆柱滚子轴承弹流润滑研究1 1 1 4 本文的研究内容1 1 第二章h e r t z 点接触问题求解方法的研究1 4 2 1h e r t z 点接触问题的基本理论1 4 2 2h e r t z 点接触问题的完全数值算法1 6 2 2 1 完全数值算法的实现j 1 6 2 2 2 算法的难点及其克服措施1 7 、 2 3h e r t z 点接触问题求解方法的对比研究18 2 3 1 围绕h e r t z 点接触问题求解的研究工作1 8 2 3 2 计算结果的比较与讨论2 8 2 4 完全数值算法在全圆弧凸型圆柱滚子中的应用3 0 2 4 1 一般性分析。31 2 4 2 分析讨论3 4 2 5 结j 沧3 4 第三章牙轮钻头圆柱滚子轴承的接触力学性质研究3 6 v i i ： 北京化工大学硕士学位论文 ，3 1 牙轮钻头圆柱滚子的凸度设计研究：3 6 3 1 1 有限元分析模型的建立3 6 3 1 2 常见代表性凸型滚子的设计及计算分析3 8 ， 3 1 3 多圆弧变曲率凸型设计及计算分析4 4 ，3 2 空心圆柱滚子轴承接触力学性质研究4 7 ：、 3 2 1 有限元模型的建立4 8 3 2 2 不同空心度下的有限元数值模拟“4 8 3 3 凹端空心圆柱滚子轴承接触力学性质研究5 5 3 3 1 模型的建立：5 5 3 3 2 计算结果分析5 6 j3 4 结论：5 9 b 。 第四章牙轮钻头等温无限长线接触滚子弹流润滑问题的多重网格 解法6 1 4 1 等温无限长线接触弹流润滑理论- 6 1 4 1 1m a r t i n 理论6 2 4 1 2b l o k 极限膜厚公式6 4 4 1 3h e r r e b r u g h 膜厚公式一6 5 4 1 4 格鲁宾入口区分析解6 5 4 2 多重网格法6 8 4 2 1 多重网格法的基本原理。6 8 4 2 2 非线性问题的全近似格式6 9 4 2 3 循环方式7 0 4 2 4 多重网格法的验证7 2 4 3 等温无限长线接触弹流润滑问题的求解过程7 3 4 3 1 基本方程及其无量纲化7 3 4 3 2 基本方程的离散7 4 4 3 3 独立方程的缺陷方程7 5 4 3 4 压力的松弛迭代7 6 4 4 牙轮钻头实心圆柱滚子轴承的弹流润滑研究7 8 4 4 1 弹流油膜的典型特征7 8 4 4 2 参数的影响7 9 4 5 牙轮钻头空心圆柱滚子轴承的弹流润滑研究8 1 第五章牙轮钻头等温有限长线接触滚子弹流润滑问题的多重网格 解法8 6 5 1 数学模型的建立8 6 5 1 1 基本方程8 6 5 1 2 基本方程无量纲化8 7 5 2 多重网格算法的实施8 8 5 2 1 压力的多重网格解法_ 8 8 5 2 2 弹性变形的多重网格积分法9 4 5 2 3 计算过程中的注意事项9 9 5 3 计算结果分析9 9 5 3 1 与无限长线接触的比较9 9 5 3 2 不同空心度下的润滑状况1 0 1 5 4 结论1 0 2 第六章结论和建议1 0 4 6 1 结论1 0 4 6 2 建议1 0 5 参考文献10 6 致谢10 6 研究成果及发表的学术论文11 2 作者与导师简介11 3 i x 北京化工大学硕士学位论文 c o n t e n t s 1 1p r o j e c tb a c k g r o u n d ：? ，! ，：1 1 1 1b r i e f i n t r o d u c t i no nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t r i b o l o g y 1 1 1 2p r o j e c tb a c k g r o u n do f d i s s e r t a t i o n 1 1 2s t u d yo nc o n t a c tm e c h a n i c sp r o p e r t i e so f r o l l e r b e a r i n g 。3 1 2 1s t u d yo nt h es o l u t i o nm e t h o d so fe l a s t i cp o i n tc o n t a c tp r o b l e m 3 1 2 2s t u d yo nc r o w n e dd e s i g no f c o m m o n b e a r i n gr o l l e ri nr o c kb i t 4 1 2 3s t u d yo nc o n t a c tm e c h a n i c sp r o p e r t i e so fh o l l o wc y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n g i nr o c kb i t 6 1 3s t u d yo ne h l t h e o r yo f c y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n g 。，7 1 3 1s t u d yo f e a r l yl u b r i c a t i o nt h e o r y 8 1 3 2s t u d yo ne h lo f l i n ec o n t a c t s i 9 1 3 3s u m m a r yo f c a l c u l m i o nm e t h o d 1 0 1 3 4s t u d yo ne h l o f c y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n gi nr o c kb i t 1 1 1 4s t u d yc o n t e n t so f d i s s e r t a t i o n 11 c h a p t e r 2s t u d yo ns o l u t i o nm e t h o do fh e r t z i a np o i n tc o n t a c t p r o b l e m 1 4 2 1b a s i c t h e o r y o f h e r t z i a n p o i n tc o n t a c t p r o b l e m 1 4 2 2f u l ln u m e r i c a lm e t h o do f h e r t z i a np o i n tc o n t a c tp r o b l e m 1 6 2 2 1r e a l i z a t i o no f f u l ln u m e r i c a lm e t h o d 1 6 2 2 2d i f f i c u l t i e sa n di t ss o l u t i o nm e a s u r e so f m e t h o d 1 7 2 3c o m p a r a t i v es t u d yo ns o l u t i o nm e t h o d so fh e r t z i a np o i n tc o n t a c tp r o b l e m 18 2 3 1s t u d yw o r ko nh e r t z i a np o i n tc o n t a c tp r o b l e ms o l u t i o n 18 2 3 2c o m p a r i s o na n dd i s c u s s i o no f r e s u l t s 2 8 2 4a p p l i c a t i o no ff u l ln u m e r i c a lm e t h o do fs i n g l e a r cc r o w n e dr o l l e r 3 0 2 4 1g e n e r a la n a l y s i s 31 2 4 2a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n 3 4 x r o l l e rb e a r i n gi nr o c kb i t 3 6 3 1s t u d yo nc r o w n e dd e s i g no fc y l i n d r i c a lr o l l e ri nr o c kb “3 6 3 1 1e s t a b l i s h m e n to f j f i n i t ee l e m e n tm o d e l 3 6 3 1 2d e s i g na n dc a l c u l a t i o na n a l y s i so fc o m m o nr e p r e s e n t a t i v ec r o w n e dr o l l e r3 8 3 1 3m u l t i p l e v a r i a b l e c u r v a t u r e a r c sc r o w n e dd e s i g na n dc a l c u l a t i o na n a l y s i s 4 4 3 2s t u d yo nc o n t a c tm e c h a n i c sp r o p e r t i e so f h o l l o wc y l i n d f i c a lr o l l e rb e a r i n g 4 7 3 2 1e s t a b l i s h m e n to f f i l l i t ee l e m e n tm o d e l 4 8 3 2 2f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n th o l l o wr a t i o 4 8 3 3s t u d yo nc o n t a c tm e c h a n i c sp r o p e r t i e so fc o n c a v e e n d e dh o l l o wc y l i n d r i c a l r o l l e rb e a r i n g 5 5 3 3 1e s t a b l i s h m e n to ff i n i t ee l e m e n tm o d e l 5 5 ：；：；2a n a l y s i so f r e s u l t s 5 6 3 4c o n c l u s i o n s 5 9 c h a p t e r 4m u l t i l e v e lm e t h o do ne h l p r o b l e m o fi s o t h e r m a li n f i n i t e l i n ec o n t a c t so fr o c k - b i tr o l l e r 6 1 4 1e h l t h e o r yo f i s o t h e r m a li n f i n i t el i n ec o n t a c t s 6 1 4 1 1m a r t i nt h e o r y 6 2 4 1 ：! b l o kl i m i tf i l mt h i c k n e s sf o r m u l a 6 4 4 1 3h e r r e b r u g hf i l mt h i c k n e s sf o r m u l a 6 5 4 1 4g r u b i n si n l e t - z o n ea n a l y s e 6 5 4 2m u l t i l e v e lm e t h o d 6 8 4 2 1b a s i c p r i n c i p l e so f m u l t i l e v e lm e t h o d 6 8 4 2 2f u l la p p o r x i m a t i o ns c h e m eo fn o n l i n e a rp r o b l e m 6 9 4 2 3c y c l es t y l e 7 0 4 2 4v e r i f i c a t i o no f m u l t i l e v e lm e t h o d 7 2 4 3s o l v i n gp r o c e s so ne h lp r o b l e mo fi s o t h e r m a li n f i n i t el i n ec o n t a c t s 7 3 4 3 1b a s i ce q u a t i o n sa n dt h e i rd i m e n s i o n