Mikro-slipfriktionsegenskaper hos spår av höghastighet och ljusbelastade spindelkulslager

För mikro-glid- och rullande friktionsproblem i de viktigaste axellagren av flygmotorer under höghastighets- och lättbelastningsförhållanden antas det att den rullande friktionen av kontaktytan är negativt korrelerad med området för vidhäftningszonen. En mikro-slipmodell är etablerad baserad på den elastiska deformationsprincipen för kontaktytematerialet för att studera de glidande förskjutningslinjerna, glidande hastighetslinjer, Hertz-kontaktspänning, glidrullningsförhållande och rullande friktion av den lastbärande stålkulan i de inre och yttre spåren. Resultaten visar att ökande lagerhastighet gör att glidande förskjutningslinjen och glidhastighetslinjen på stålkulan i de inre och yttre spåren tenderar att kontakta spänningstoppområdet, den rullande friktionen ökar och glidande tendensen förbättras; Att minska den radiella belastningen på lagret leder till en ökning av den mikro-slip-tendensen hos stålkulan i det inre spåret och har en mindre effekt på det yttre spåret; När hastigheten är 22 000 r\/min är det glidande rullningsförhållandet för stålkulan till det yttre spåret 4,4 gånger det för det inre spåret; Under samma hastighetsförhållanden är den rullande friktionen mellan stålkulan och det yttre spåret 7 till 13 gånger det för det inre spåret; När den radiella belastningen är 50 N är den rullande friktionen mellan stålkulan och det yttre spåret 7,6 gånger det för det inre spåret, och stålkulan är mer benägen att övergripande glidande och mikroslipslitage i det yttre spåret.

Nyckelord rullande lager; spindellager; flygmotor; räffla; rullande friktion; mikroslipning
Rotorn för moderna flygmotorer är lätt i vikt och hög i hastighet, och de resulterande höghastighets- och lättbelastningsförhållandena påverkar kontaktfriktionens egenskaper hos spindelkulslagret. Under normal drift får lagerstålkulan inte glida makroskopiskt på spåret. På grund av tätheten mellan de inre och yttre ringarna och stålkulan (förhållandet mellan stålkulradie till ringspårens krökningsradie) och den elastiska deformationen av kontaktmaterialet, har stålkulan alltid liten lokal glidning i kontaktområdet. Hög hastighet orsakar att den lokala glidningen av stålkulan tenderar att tendera till toppområdet för kontaktspänning. Mikro-halkhastigheten är för hög, vilket resulterar i allvarliga spårslitage och förkortar lagerlivet. Höghastighet minskar vidhäftningsområdet på stålkulan i kontaktområdet, ökar den rullande friktionen och gör att stålkulan tenderar att glida makroskopiskt. Ljusbelastning på lagret ökar också den rullande friktionen av stålkulan, vilket gör det enkelt för stålkulan att glida som helhet. Därför begränsar de mikro-glid- och rullande friktionsegenskaperna hos lagerstålkulan i spåret maximala hastighet och belastningsförhållanden för lagret. När mikroslipen sträcker sig till hela kontaktområdet kommer det att orsaka allvarligt motorfel. Att särskilja vidhäftningsområdet och glidområdet för kontakt ellips och förutsäga de lokala mikro-slip och rullande friktionskarakteristika för stålkulan är fördelaktiga för att utföra design, säker applicering och prestationsanalys.
Inhemska och utländska forskare har genomfört ett stort antal studier på kontaktfriktionens egenskaper hos kulbärande spår [1-3]. Fokus ligger på friktionsskjuvspänningen, friktionstraktionen och dragmomentet i stålkulan i spåret. Den totala friktionstraktionen erhålls genom att integrera friktionsskjuvspänningen i hela kontaktområdet. Emellertid beaktas de lokala mikro-glid- och stick-halkegenskaperna vanligtvis inte för kontaktområdet, och den integrerade gränsen för skjuvspänningen skiljer sig inte. Faktum är att stålkulan rullar ofullständigt i kontaktområdet. När glidrullförhållandet ökar ökar den elastiska deformationen av kontaktytematerialet. När den ackumuleras i viss utsträckning kommer spåret att ha lokalt mikroslipning, och sedan kommer det elliptiska vidhäftningsområdet att fortsätta att minska, och den rullande friktionen kommer att fortsätta att öka. Slutligen utvecklas hela kontaktområdet till en glidzon. Stålkulans rullande friktion är nära besläktad med friktionskoefficienten, kontaktspänning, geometriska dimensioner och vidhäftningsområdet i kontaktområdet. Reuss et al. [4] etablerade en rullande friktionsmodell för linjära kullager, förutsatt att den rullande friktionen i kontakt vidhäftningsområdet förändras linjärt med den rullande förskjutningen. Stick-slip-övergångslinjen och den rena rullande linjen bestäms med användning av den maximala relativa förskjutningen och det minsta friktionsmomentet som förhållanden, respektive pinne-slipegenskaper för kontakten elliptisk yta analyseras för att erhålla friktion av varje stick-slipzon. Kimura et al. [5] studerade mikroslipningsproblemet mellan stålbollar och spår. Vidhäftningszonen för kontakt Ellipse bestämdes baserat på den relativa glidförskjutningen orsakad av den elastiska deformationen av kontaktytematerialet för att anpassa sig till rullande hastighetsskillnaden, och glidzonen delades enligt dragkraften vid kontaktpunkten som överskred den maximala statiska friktionskraften. Ning Fengping et al. [6] föreslog en mikro-slipmodell för kontakten mellan stålbollar och spår, men genomförde inte djupgående forskning om modelleringsprocessen, mikro-slipbeteende och friktionsinflytande faktorer.
Vissa forskare har bedrivit forskning om spårkontaktegenskaperna för kullager för helikopterreducerande och vindkraftverk [7-8], med fokus på spårets mikro-rörelse slitage: Kwak et al. [9] etablerade en lokal elastisk kontaktmodell av hjulnav vinkelkontaktkullager baserat på det halv-oändliga kroppsantagandet och använde inflytande funktioner för att utföra tredimensionell kontaktanalys för att få positionen och storleken på spårkontakt ellips under gränsen axiell belastning; Pathuvoth et al. [10] använde den maximala kontaktspänningen för ellipsen trunkering för att utvärdera den statiska bärande kapaciteten för skivspelningen; Ma Zikui et al. [11] beräknade friktionens vridmoment i kullageret baserat på den rullande kontaktkrypteorin, vilket avslöjade vidhäftning och rullande egenskaper hos stålkulan i spåret. Ovanstående studier analyserar huvudsakligen mikro-halkegenskaperna hos kullagerspår under låghastighets- och tunga belastningsförhållanden, och forskningen om spår-rullningsförhållandet är otillräcklig. Vanligtvis är glidrullförhållandet mellan stålkulan och spåret litet, men det är den viktigaste faktorn som påverkar spårfriktionen [12]: Zhao Erhui et al. [13] etablerade en punktkontakt elastohydrodynamisk smörjmodell för att studera effekten av glidrullförhållandet på oljefilmgränssnittet i elastohydrodynamisk smörjning, och påpekar att glidzonen minskar med 6.4%; Zhang Binbin et al. [14] studerade effekten av glidrullförhållandet på den termiska elastohydrodynamiska smörjningen av vinkelkontaktkullager. Resultaten visar att ökande slip-rullförhållandet får oljefilmens trycktopp och oljefilmdepression att tendera till tryckcentret, och amplituden fortsätter att öka; Zhang Yu et al. [15] studerade friktionsegenskaperna hos rullande lager i elastohydrodynamisk smörjningstillstånd och påpekade att öka glidrullförhållandet kan öka den rullande friktionskoefficienten. Därför påverkar kontaktytans glidningsförhållande direkt kontaktbelastningsfördelningen och storleken på glidzonen.
Sammanfattningsvis, tidigare, när man studerade friktionsdragens vridmoment i stålkulan i spåret, användes hela kontakt ellipsen som de integrerade gränserna för skjuvspänningen, utan att skilja mellan vidhäftningszonen och glidzonen, och det var omöjligt att förutsäga de lokala glid- och friktionsegenskaperna. Det fanns också en brist på forskning om de mikro-slipfriktionsegenskaperna hos spåret under höghastighets- och lättbelastningsförhållanden. Därför syftar detta dokument till höghastighets- och lättbelastningsförhållandena för flygmotorer, antar att den rullande friktionskraften hos kontakt Ellipse är negativt korrelerad med området för vidhäftningszonen och etablerar en mikro-slipmodell av spindelkulslagret baserat på den elastiska deformationsprincipen i kontaktytan. De glidande förskjutningslinjerna, glidhastighetslinjerna, Hertzian kontaktspänningsfördelning, glidrullningsförhållande och rullande friktion av stålkulan i de inre och yttre spåren studeras för att avslöja det lokala mikro-slip och rullande friktionsegenskaper hos spåret under höghastighets- och lättbelastningsförhållanden.