牙轮钻头采用空心圆柱滚子轴承的理论探讨.pdfVIP

年 第 卷 第 期 石 油 机 械 ++! , , * !专题研究 牙轮钻头采用空心圆柱滚子轴承的理论探讨 # 陈家庆 张 沛 徐林林 （北京石油化工学院机械工程系） 摘要 为了提高牙轮钻头滚动轴承的抗接触疲劳能力，提出在牙轮钻头滚动轴承中采用空心 圆柱滚子的方案，在对其接触情况进行了深入研究。首先应用弹性曲梁理论分析了单个空心圆柱 滚子在径向对顶集中压力作用下的压缩变形以及滚子内外圆柱面上的拉压应力分布情况，并采用 当量弹性模量法计算其与半空间平面接触时的接触应力分布。为了分析空心圆柱滚子轴承的载荷 分布，在分析滚子与内外滚道接触变形量构成的基础上，提出了空心圆柱滚子载荷分布的迭代算 法。结果表明，无论是单个滚动体的最大接触应力，还是整个轴承的载荷分布情况，只要有效控 制空心滚子的空心度，采用空心圆柱滚子都将优于相应的实心圆柱滚子。 主题词 滚动轴承 空心圆柱滚子 牙轮钻头 接触应力 载荷分布 （）对于开式矿用牙轮钻头，采用空心滚动体 # 引 言 有利于空气流通，进而改善整个轴承系统的散热条 件和排屑情况。 牙轮钻头在密封完好的情况下，其滚动轴承失 效的主要原因是接触疲劳破坏，因此提高轴承摩擦 空心圆柱滚子接触 副的抗接触疲劳能力是提高钻头工作性能的突破 情况的理论研究 口。从摩擦学系统研究的角度来看，一方面可通过 合理的结构设计降低最大工作接触应力；另一方面 在初步计算实心圆柱滚子与轴承内外滚道的接 可提高接触表面自身的抗接触疲劳强度。基于上述 触应力时，直接采用$%’( 接触理论即可，但对于 思想，笔者提出在牙轮钻头滚动轴承系统中使用空 空心圆柱滚子这样处理欠妥。因为应用$%’( 接触 心圆柱滚子的方案，以期从结构设计方面达到降低 理论的一个重要前提便是两接触体的轮廓线连续且 ［］ 最大工作接触应力的目的! 。 可用二次多项式极其吻合地表示，同时内部无宏观 牙轮钻头轴承系统中采用空心圆柱滚子具有以 几何 “缺陷”。 下优点： !) 空心圆柱滚子的变形与内部应力分析 （）空心圆柱滚子柔性较好，能够适应钻头的 （）变形分析 从材料力学的角度来看，封闭 ! ! 振动冲击工况； 形圆环的变形问题一般为三次静不定问题，可以将 （）对于密封轴承牙轮钻头而言，空心圆柱滚 空心圆柱滚子的变形简化为曲梁的变形来近似处理。 子轴承系统可以有更多的润滑脂存储空间，外载荷 根据材料力学能量法理论中的卡氏定理 （如图! 所 越大或轴承系统温度越高，滚动体空心部分存储的 示，假设使曲梁初始曲率半径增大的弯矩为正，下 润滑脂向体外密封腔室涌出越多，越有利于轴承系 同），当曲梁的横截面尺寸与曲率半径相比并非很 统的润滑和工作条件的改善； 小，则变形能中除了弯曲变形能外，还应包括轴力 # 陈家庆，副教授，生于!,-+ 年，!,,. 年、!,,-