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微结构圆柱滚子轴承内圈摩擦磨损及生热分析

摘要

圆柱滚子轴承的承载能力高，摩擦系数小，在旋转机械中起到决定性的

作用，因此广泛地应用到各个领域如：机床、汽车、航空航天等。但在高转

速、大载荷的工况下，圆柱滚子轴承的滚子与滚道会出现因摩擦较大而导致

磨损和发热的现象，从而降低轴承寿命，尤其是内圈滚道更容易产生润滑不

良和摩擦生热。为此本文将微结构技术应用到轴承内圈中，对微结构轴承进

行摩擦磨损分析以及摩擦生热分析，并验证微结构凹坑对圆柱滚子轴承减摩

抗磨特性的影响。

首先，确定微结构凹坑的各个参数范围，其中包括形状、面积、深度、

面密度等。对微结构轴承内圈的接触面积进行分析，确定微结构轴承内圈的

实际接触面积和名义接触面积。建立关于微结构轴承的Archard数学模型，利

用热网格法计算微结构轴承内部零部件的温度，确定微结构轴承内圈因摩擦

生热产生的温度。

然后，利用Hypermesh软件对微结构轴承进行网格划分前处理操作，通

过ANSYS软件对处理后的微结构轴承进行摩擦磨损的有限元仿真，利用

Archard磨损模型对轴承内圈进行分析；磨损仿真结束后，对微结构轴承进行

摩擦生热的有限元仿真。随后，设计正交试验法，分析微结构凹坑的参数对

圆柱滚子轴承摩擦磨损的影响以及摩擦生热产生的温度的影响，经过分析得

出微结构的面密度因素对轴承的摩擦磨损性能影响较大，同时可以有效地抑

制轴承的温升。

最后，利用搭建的摩擦磨损试验机对微结构轴承进行实验测量，并利用

超景深显微镜观察实验后的微结构轴承内圈表面，圆形微结构的减摩抗磨的

性能优于方形和菱形。通过轴承温度试验平台对轴承进行温度测量，分析得

出最佳的微结构凹坑形状。通过NSGA-Ⅱ优化算法对微结构几何参数进行优

化设计，确定最佳的微结构凹坑参数组合。

关键词圆柱滚子轴承；内圈微结构；Archard磨损模型；摩擦磨损；摩擦生热

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AnalysisofFrictionWearandHeatGenerationof

InnerRingofMicro-StructureCylindricalRoller

Bearing

Abstract

Cylindricalrollerbearingshavehighcarryingcapacityandsmallfriction

coefficient,whichplayadecisiveroleinrotatingmachinery,sotheyarewidelyused

invariousfieldssuchas:machinetools,automobiles,aerospaceandsoon.However,

undertheworkingconditionsofhighspeedandlargeload,therollerandracewayof

cylindricalrollerbearingswillwearandheatduetogreaterfriction,therebyreducing

thebearinglife,especiallytheinnerringracewayismorepronetopoorlubrication

andfrictionheatgeneration.Inthisessay,themicro-structuretechnologyisapplied

tothebearinginnerring,andthefrictionandwearanalysisandfrictionheat

generationanalysisarecarriedouttoverifytheinfluenceofmicro-structurepitson

theanti-frictionandanti-wearcharacteri