Ảnh hưởng của biến dạng và sai lệch góc vòng bi tới các thuộc tính động học của bi lăn dưới các cơ chế tải trước khác nhau

MingKai Wang1, Ke Yan1, XiaoHong Zhang1, Qiang Tang1, YongSheng Zhu1, Jun Hong1
1Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China

Tóm tắt

Trong bài báo này, một mô hình toàn diện của vòng bi bi lăn với sự xem xét đến biến dạng và sự sai lệch góc của vòng bi được đề xuất để nghiên cứu các thuộc tính động học của vòng bi. Các tương tác hình học giữa trạng thái lắp ráp và biến dạng của vòng bi được suy diễn dựa trên các điều kiện phối hợp biến dạng. Sau đó, quá trình áp dụng tải trước cho vòng bi được phân tích để làm rõ các nguyên tắc cho hai loại cơ chế tải trước. Một phương pháp tính toán hiệu quả dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn được áp dụng để phân tích độ cứng của vòng bi, và độ chính xác cũng như tính khả thi của các kết quả tính toán được xác minh bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Cuối cùng, ảnh hưởng của giá trị can thiệp ban đầu, tốc độ quay trục, và sự sai lệch góc của vòng bi được thảo luận. Kết quả cho thấy rằng các biến dạng của vòng bi và sự sai lệch góc của vòng bi thay đổi đáng kể các thuộc tính động học của vòng bi. Mặc dù tải trước cố định cải thiện hiệu suất làm việc của vòng bi, nhưng tuổi thọ mỏi giảm. Sự sai lệch góc của vòng bi làm thay đổi phân phối tải, và giảm hoặc tăng độ cứng của vòng bi theo hướng cụ thể.

Từ khóa

#vòng bi #biến dạng #sai lệch góc #thuộc tính động học #cơ chế tải trước

Tài liệu tham khảo

Stribeck R (1907) Ball bearing for various loads. Trans ASME 29:420–463 Palmgren A (1959) Ball and Roller Bearing Engineering. SKF Industries, Philadelphia Jones AB (1959) Ball motion and sliding friction in ball bearings. Trans ASME J Basic Eng 81:1–12. https://doi.org/10.1115/1.4008346 Cao YZ, Altintas Y (2004) A general method for the modeling of spindle-bearing systems. J Mech Des 126:1089–1104. https://doi.org/10.1115/1.1802311 Cheng HC, Zhang YM, Lu WJ, Yang Z (2019) Research on time-varying stiffness of bearing based on local defect and varying compliance coupling. Measurement 143:155–179. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.04.079 Truong DS, Kim BS, Park JK (2019) Thermally affected stiffness matrix of angular contact ball bearings in a high-speed spindle system. Adv Mech Eng 11:1–17. https://doi.org/10.1177/1687814019889753 Truong DS, Kim BS, Ro SK (2021) An analysis of a thermally affected high-speed spindle with angular contact ball bearings. Tribol Int 157:106881. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106881 Cao HR, Holkup T, Altintas Y (2011) A comparative study on the dynamics of high speed spindles with respect to different preload mechanisms. Int J Adv Manuf Tech 57:871–883. https://doi.org/10.1007/s00170-011-3356-9 Wang BM, Du B, Zhang X, Chang P (2015) Influence of preload on fatigue life of high-speed angular contact ball bearing. J Lanzhou Univ Technol 41(6):43–47 Lin SY, Jiang SY (2019) Study of the stiffness matrix of preloaded duplex angular contact ball bearings. J Tribol 141:032204. https://doi.org/10.1115/1.4041895 Zhang JH, Fang B, Zhu YS, Hong J (2017) A comparative study and siffness analysis of angular contact ball bearings under different preload mechanisms. Mech Mach Theory 115:1–17. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.03.012 Dong YF, Chen FF, Lu TL, Qiu M (2022) Research on thermal stiffness of machine tool spindle bearing under different initial preload and speed based on FBG sensors. Int J Adv Manuf Technol 119:941–951. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08330-6 Zhang YF, Fang B, Kong LF, Li Y (2020) Effect of the ring misalignment on the service characteristics of ball bearing and rotor system. Mech Mach Theory 151:103889. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2020.103889 Xu TF, Yang LH, Wu W, Han YY, Wang K (2022) The stiffness characteristics analysis of the duplex angular contact ball bearings based on a comprehensive multi-degree-of-freedom mathematical model. Appl Math Model 106:601–626. https://doi.org/10.1016/j.apm.2022.02.017 Liu GH, Hong J, Wu WW, Sun YH (2018) Investigation on the influence of interference fit on the static and dynamic characteristics of spindle system. Int J Adv Manuf Technol 99:1953–1966. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2567-8 Zhang P, Pan AZ, Yan K, Sun JN (2023) High stability temperature sensors by CdTe quantum dots encapsulated in SiO2/PVA hybrids for bearing rotating elements. Mater Today Commun 34:105456. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105456 Wang MK, Yan K, Zhang XH, Zhu YS, Hong J (2023) A comprehensive study on dynamic performance of ball bearing considering bearing deformations and ball-inner raceway separation. Mech Syst Signal Pr 185:109826. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109826 Wang MK, Yan K, Tang Q, Guo JD, Zhu YS, Hong J (2023) Dynamic modeling and properties analysis for ball bearing driven by structure flexible deformations. Tribol Int 179:108163. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108163 Fang B, Zhang JH, Hong J, Yan K (2023) Research on the nonlinear stiffness characteristics of double−row angular contact ball bearings under different working conditions. Lubricants 11(2):44. https://doi.org/10.3390/lubricants11020044 Wan CS (1987) Analytical method of rolling bearing. China Machine Press, Beijing Huang JF, Cui LL, Zhang JY (2022) Tracking the location of bearing outer raceway defects using multidimensional synchronous signal fusion and tensor rank-1 decomposition. Measurement 198:111137. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111137 Ma SJ, Yin YJ, Chao B, Yan K, Fang B, Hong J (2023) A real-time coupling model of bearing-rotor system based on semi-flexible body element. Int J Mech Sci 245:108098. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.108098 Harris TA (2001) Rolling bearing analysis. John Wiley and Sons, NewYork Ma C, Mei XS, Yang J, Zhao L, Shi H (2015) Thermal characteristics analysis and experimental study on the high-speed spindle system. Int J Adv Manuf Technol 79:469–489. https://doi.org/10.1007/s00170-015-6821-z Liu HY, Zhang YM, Li CY, Li ZY (2021) Nonlinear dynamic analysis of CNC lathe spindle-bearing system considering thermal effect. Nonlinear Dyn 105:131–166. https://doi.org/10.1007/s11071-021-06613-x Su C, Chen WF (2022) An improved model of motorized spindle for forecasting temperature rise based on thermal network method. Int J Adv Manuf Technol 119:5969–5991. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08592-0 Zhang JH, Fang B, Hong J, Wan SK, Zhu YS (2017) A general model for preload calculation and stiffness analysis for combined angular contact ball bearing. J Sound Vib 411:435–449. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2017.09.019 Fang B, Wan SK, Zhang JH, Hong J (2021) Research on the influence of clearance variation on the stiffness fluctuation of ball bearing under different operating conditions. J Mech Des 143:023403. https://doi.org/10.1115/1.4047903 Liu J, Tang CK, Wu H, Xu ZD, Wang LF (2019) An analytical calculation method of the load distribution and stiffness of an angular contact ball bearing. Mech Mach Theory 142:103597. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2019.103597 Kraus J, Blech JJ, Braun SG (1987) In situ determination of rolling bearing stiffness and damping by modal analysis. J Vib Acoust 3:235–240. https://doi.org/10.1115/1.3269426 Guo Y, Parker RG (2012) Stiffness matrix calculation of rolling element bearings using a finite element/contact mechanics model. Mech Mach Theory 51:32–45. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2011.12.006