[发明专利]高速空心圆柱滚子轴承的参数优化方法

权利要求书

1.一种高速空心圆柱滚子轴承的参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据工况要求，获取轴承的工作载荷、工作转速和预期疲劳寿命，进而初步确定空心圆柱滚子轴承的内外圈尺寸、滚动体数目、滚动体空心度及轴承径向游隙；

S2：计算高速空心圆柱滚子轴承的载荷分布和疲劳寿命：

S21：基于空心度计算空心圆柱滚子接触变形量δ_c；

S22：建立空心圆柱滚子接触变形量的有限元模型，采用有限元分析软件对空心圆柱滚子的接触变形量进行物理仿真，验证滚子的空心度h_r与空心圆柱滚子的接触变形量的关系，所述空心度h_r与空心圆柱滚子接触变形量δ_c的关系为

δ_c＝f(λ,q,r,h_r) (1)

式中，λ＝2(1-μ²)/πE，μ和E分别为滚子材料的泊松比和弹性模量，q为作用在空心圆柱滚子上的线载荷，r为空心圆柱滚子的外圆半径，h_r为空心圆柱滚子的空心度，h_r＝r_i/r，r_i为空心圆柱滚子的内孔圆半径；

S23：结合滚子的接触变形理论，计算空心圆柱滚子接触变形量δ_c，空心圆柱滚子接触变形量δ_c采用如下方式计算：

式中，系数k的大小根据有限元计算结果进行确定；

S24：计算空心圆柱滚子弯曲变形量δ_b；

所述空心圆柱滚子弯曲变形量δ_b采用如下方式计算：

式中，待定系数k₁、k₂、k₃、m及n的大小，需要根据有限元计算结果进行确定；

S25：根据空心圆柱滚子的接触变形量δ_c和空心圆柱滚子的弯曲变形量δ_b计算空心圆柱滚子的弹性趋近量δ_hr；

所述空心圆柱滚子的弹性趋近量δ_hr采用如下方式：

S26：计算套圈的载荷变形δ_f和该空心圆柱滚子与套圈之间总的载荷变形δ_h；

套圈的载荷变形δ_f采用如下方式计算：

空心圆柱滚子与套圈之间总的载荷变形δ_h采用如下方式计算：

δ_h＝δ_c+δ_b+2δ_f (6)

对空心圆柱滚子与套圈之间总的载荷变形δ_h采用数据拟合的方式获得空心圆柱滚子与套圈的接触刚度系数K_h和接触变形量指数α：

式中，Q为滚动体载荷，(7)式参数K_h和α需要通过对(6)式进行数据拟合获得；

S27：在考虑空心圆柱滚子离心力的基础上，建立了任意滚动体的受力平衡方程和轴承内圈的受力平衡方程；

任意滚动体的受力平衡方程和轴承内圈的受力平衡方程采用如下方式建立：

设承受径向载荷的高速圆柱滚子轴承的滚子受载情况，则角位置处的滚子的受力平衡方程为：

Q_oj-Q_ij-F_c＝0 (8)

上式中，Q_oj表示第j个滚子与外圈的作用载荷，Q_ij表示第j个滚子与内圈的作用载荷；空心滚子的离心力采用如下方式计算：

式中，d_m为轴承节圆直径；

将式(7)代入式(8)可得：

式中，δ_oj为第j个空心滚子与外圈的总接触变形量，δ_ij为第j个空心滚子与内圈的总接触变形量，K_o为空心滚子与外圈的接触刚度，K_i是空心滚子与内圈的接触刚度，对于钢制轴承有：

K_o＝K_i＝2^αK_h (11)

若第j个滚子与内外圈接触的总变形量为δ_j，则有：

则由式(10)～(12)可得空心圆柱滚子轴承中，任意滚动体与外圈的受力平衡方程为：

同理，得到空心圆柱滚子轴承的内圈受力平衡方程为：

由于式(13)和式(14)构成的非线性方程组中，共有(N+1)个方程，含有(N+1)个未知量，求出δ_h和δ_ij后，采用下式求解任一滚动体与内外圈的接触载荷：

Q_oj＝Q_ij+F_c (16)

从而获得各滚动体与套圈的接触载荷；

S28：根据变形协调条件，求解由任意滚动体的受力平衡方程和轴承内圈的受力平衡方程组成的方程组，获得任意滚动体与套圈的接触载荷；

S29：计算套圈的额定滚动体载荷、套圈的当量滚动体载荷和轴承的疲劳寿命；

S3：将通过S1和S2计算出的空心圆柱滚子轴承的疲劳寿命与预期疲劳寿命进行对比分析，对疲劳寿命小于预期值的轴承进行参数优化。