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专利摘要

球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，它属于轴承摩擦动力学领域。本发明解决了现有方法不能对复杂苛刻工况下的球轴承动力学和热混合润滑耦合行为进行分析的问题。本发明引入非牛顿流变模型，提出了基于时变热混合润滑模型的混合润滑摩擦计算方法，可以实现在不同润滑状态工况条件下的摩擦特性预测。考虑润滑摩擦与轴承动态特性的相互作用，通过耦合混合热弹流中的最小膜厚和摩擦系数将球轴承动力学和热混合润滑分析有机集成，填补球轴承动力学模型已有公式和算法的不足，建立了精确的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析模型。本发明方法可以应用于球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202310884646.X
申请日期:
2023-07-18
专利申请人:
分类号:
G06F30/20 ; G06F17/11 ; G06F17/12 ; G06F119/08 ; G06F119/14
发明/设计人:
吴继强，王黎钦，张传伟，鲍茂宽，李臻，束坤，陈康
权利要求: 1.球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤1、初始化当前时刻为t；建立球轴承的动力学模型；步骤2、根据动力学模型对球轴承进行动力学分析，获得接触区域热混合润滑分析所需的力学参数和运动学参数；所述力学参数包括滚动体与滚道的接触载荷；所述运动学参数包括滚动体与滚道的卷吸速度、滚动体的瞬时表面速度和滚道的瞬时表面速度；步骤3、根据接触载荷和赫兹接触理论求得接触界面的初始接触压力p0，根据接触载荷和牛顿第二定律计算刚体中心膜厚h0(t)，再根据卷吸速度、h0(t)、p0和初始环境温度T0建立球轴承瞬态热混合润滑分析模型，并根据建立的模型计算润滑剂粘度、接触压力、油膜厚度和油膜温度；步骤4、建立球轴承混合润滑界面摩擦系数计算模型，再根据建立的模型以及步骤3中计算出的润滑剂粘度、接触压力、油膜厚度和油膜温度计算摩擦系数；步骤5、根据步骤3计算出的油膜厚度和步骤4计算出的摩擦系数f重新计算接触载荷w′(t)，判断重新计算出的接触载荷w′(t)是否满足接触载荷收敛条件；若满足接触载荷收敛条件，则执行步骤6；若不满足接触载荷收敛条件，则利用步骤3计算出的油膜厚度和步骤4计算出的摩擦系数f返回步骤2重新进行动力学分析；步骤6、耦合球轴承动力学模型、球轴承瞬态热混合润滑模型和混合润滑界面摩擦系数计算模型；步骤7、令时刻t＝t+1，并更新表面和工况后再返回步骤2；直至达到设置的最大时间步时，输出每一时刻球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析结果。2.根据权利要求1所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：步骤31、根据接触载荷和牛顿第二定律建立动态载荷方程，根据动态载荷方程计算刚体中心膜厚h0(t)；其中，t为时间，mj为滚动体的质量，Ω为计算域，p(x,y,t)代表接触区域内坐标为(x,y)的点处的接触压力，w(t)为接触载荷；步骤32、将刚体中心膜厚h0(t)代入油膜厚度方程来计算油膜厚度：其中，h(x,y,t)是接触区域内坐标为(x,y)的点处的油膜厚度，Rx(t)为滚动体与滚道间沿x方向的瞬时等效曲率半径，Ry(t)为滚动体与滚道间沿y方向的瞬时等效曲率半径，δ1(x,y,t)为滚动体表面随时间变化的三维粗糙度高度值，δ2(x,y,t)为滚道表面随时间变化的三维粗糙度高度值，ve(x,y,t)为t时刻滚动体与滚道的接触表面由接触压力引起的弹性变形；其中，E′为球轴承滚动体与滚道的等效弹性模量，ξ为压力作用点横坐标；为压力作用点纵坐标；步骤33、根据接触压力和油膜温度计算润滑剂的粘度和润滑剂的密度；所述步骤33的具体过程为：其中，η为润滑剂的粘度，η0为润滑剂的环境粘度，ln是自然对数，α为润滑剂的粘压系数，γ为润滑剂的粘温系数，T0是初始环境温度，T为油膜温度；其中，ρ为润滑剂的密度，ρ0为润滑剂的环境密度，β为润滑剂的热膨胀系数；步骤34、将接触压力、油膜厚度、润滑剂粘度和密度代入雷诺方程后，再代入卷吸速度得到新的接触压力；再利用新的接触压力计算得到新的油膜厚度、润滑剂粘度和密度；步骤35、根据新的润滑剂粘度、新的润滑剂密度以及新的接触压力、新的油膜厚度计算油膜温度T；步骤36、判断新的接触压力、油膜温度T以及接触固体的温度T′是否收敛；若新的接触压力、油膜温度T以及接触固体的温度T′均收敛，则将计算出的新润滑剂粘度、接触压力、油膜厚度和油膜温度分别作为本次迭代最终的润滑剂粘度、接触压力、油膜厚度和油膜温度，并利用最终的润滑剂粘度、接触压力、油膜厚度和油膜温度来执行步骤4；否则，对油膜温度T、接触固体的温度T′和新的接触压力进行修正，利用修正后的油膜温度、接触固体的温度T′和接触压力返回执行步骤31。3.根据权利要求2所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述步骤35的具体过程为：将新的润滑剂粘度、新的润滑剂密度、新的接触压力、新的油膜厚度、滚动体和滚道沿x方向上的瞬时表面速度代入动态油膜能量方程，联立求解动态油膜能量方程和固体热传导方程，得到油膜温度T和接触固体的温度T′；所述联立求解动态油膜能量方程和固体热传导方程时，油膜和固体相接触的界面上满足以下的热流连续条件：其中，kf为润滑剂的热传导系数，h′为新的油膜厚度，k1为滚动体热传导系数，k2为滚道热传导系数，z1表示滚动体在膜厚方向的坐标，z2表示滚道在膜厚方向的坐标。4.根据权利要求3所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述新的接触压力收敛条件为：对于接触界面内的任意一点，计算该点处新的接触压力与代入到雷诺方程的该点处接触压力的差值，再计算接触界面内各个点所对应的差值的总和，若各点处对应的差值的总和小于等于0.0001，则认为满足接触压力收敛条件。5.根据权利要求4所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述油膜温度T以及接触固体的温度T′的收敛条件为：对于油膜和固体相接触的界面上的任意一点，计算该点处新的油膜温度与代入到油膜能量方程的该点处油膜温度的差值，该点处新的接触固体的温度与代入到固体热传导方程的该点处接触固体温度的差值，再计算各点对应的油膜温度差值的总和a以及各点对应的接触固体温度差值的总和b，将a和b相加，若相加结果小于等于0.0001，则认为满足油膜温度T以及接触固体的温度T′的收敛条件。6.根据权利要求5所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述对新的油膜温度T、接触固体的温度T′和新的接触压力进行修正时采用的是低松弛修正方法。7.根据权利要求6所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：建立球轴承混合润滑界面摩擦系数计算模型：Ff＝Fl+Fc (12)其中，Ff为球轴承混合润滑界面的摩擦力，Fl为流体润滑区域的摩擦力，Fc为粗糙峰接触区域的摩擦力；所述Fl由流体润滑区域的摩擦力积分获得，Fc由粗糙峰接触区域的摩擦力积分获得：其中，τl(x,y)为流体润滑区域内的点(x,y)处的摩擦力，Ωl为流体润滑区域，τc(x,y)为粗糙峰接触区域内的点(x,y)处的摩擦力，Ωc为粗糙峰接触区域；计算流体润滑区域内的点(x,y)处的摩擦力：式中，η″是步骤3计算出的润滑剂粘度，h″是步骤3计算出的油膜厚度，G∞和τL是润滑剂的流变特性；其中，p″是步骤3计算出的接触压力，T″是步骤3计算出的油膜温度；粗糙峰接触区域内的点(x,y)处的摩擦力为：τc＝fbp″ (16)其中，fb为边界润滑摩擦系数；则轴承混合润滑界面整个接触区的摩擦系数f为：8.根据权利要求7所述的球轴承动力学与瞬态热混合润滑耦合分析方法，其特征在于，所述接触载荷收敛条件为：(w′(t)-w(t))/w′(t)小于等于0.001。