大型滚动轴承寿命的结构尺度效应研究

相对小型轴承，大型滚动轴承套圈及支撑结构的弹性较大，其弹性变形严重影响轴承内部负荷分布，采用原有小型轴承理论预测轴承负荷及寿命与实际应用结果大相径庭，因此在大型轴承的负荷和寿命分析中需要突破原有小型轴承仅计及接触处的弹性变形而忽略套圈及支撑结构弯曲变形的假定，重新建立大型轴承的拟动力学分析模型，研究轴承尺度改变产生的刚度变化对其负荷分布及寿命的影响。探索大型轴承寿命的结构尺度影响修正函数，对于不同的大型轴承，只需首先根据轴承及支撑结构的实际尺寸获的无量纲特征尺寸，即可在传统的轴承寿命预测理论上分析，选用合适的影响修正系数进行修正即可准确预测大型轴承寿命。研究成果对于大型滚动轴承的设计和应用具有重要的意义。

大尺度滚动轴承及其支撑结构件的低刚度、易变形特性，导致现有小型滚动轴承中轴承套圈及其支撑结构件的刚性假设理论不再适用，大尺度滚动轴承力学性能及轴承寿命难以预测。项目以常见的大型风电滚动轴承为研究对象，从单个滚动体与滚道的接触分析着手，引入具有相同接触刚度的弹簧单元代替滚动体与滚道的接触，使得包含大量滚动体/滚道非线性接触分析的大型滚动轴承及其支撑结构件的整体有限元分析成为可能，同时研究了套圈及支撑结构件的刚度矩阵表达方法。通过数学建模的方法，研究了大型滚动轴承力学性能及寿命分析的数学模型，该模型耦合了套圈及支撑结构件的刚度影响，体现为非线性力学方程组，并基于MATLAB开发了相应的求解分析软件，该数学模型奠定了以轴承最大接触力或寿命为目标的大型滚动轴承结构参数优化设计的基础。基于上述理论和方法，项目进行了大型滚动轴承内部接触载荷分布特点、结构参数的优化设计以及结构尺度变化对轴承寿命的影响等研究，研究表明大型滚动轴承的内部载荷分布及寿命具有较强的个性特征，对于不同支撑条件下的大型滚动轴承进行独立的轴承及其支撑结构件的整体力学分析、寿命分析和参数优化设计十分必要，随着轴承及其支撑结构件的尺度增大，在相同的载荷水平下，轴承的寿命快速下降。