空间滚动轴承可靠性影响因素作用机理及其演化规律研究

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1、博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目空间滚动轴承可靠性影响因素作用机理及其演化规律研究作者姓名宁峰平学科专业机械电子工程指导教师赵永生教授2015年12月中图分类号：TH133.3学校代码：10216UDC：621.8密级：公开工学博士学位论文空间滚动轴承可靠性影响因素作用机理及其演化规律研究博士研究生：宁峰平导师：赵永生教授副导师：姚建涛副教授申请学位：工学博士学科专业：机械电子工程所在单位：机械工程学院答辩日期：2015年12月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechan

2、icalandElectronicEngineeringRESEARCHONMECHANISMANDEVOLUTIONLAWOFRELIABILITYFACTORSINSPACEBEARINGbyNingFengpingSupervisor:ProfessorZhaoYongshengAssociateSupervisor:AssociateProfessorYaoJiantaoYanshanUniversityDecember,2015燕山大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《空间滚动轴承

3、可靠性影响因素作用机理及其演化规律研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日摘要摘要空间轴承是航天机构的最基本组成部分，也是构成其他组件的关键零部件。因此，空间轴承的可靠性是航天机构正常运转、实现预定功能和预计寿命的基础保障。空间轴承长期工作于空间环境，高低温、交变温度、高真空、失重和强辐射等环境因素

4、对其工作性能和使用寿命有明显的负面影响，致使其失效模式主要包括地面环境中常见的失效模式和空间环境因素引发的特有失效模式。本文主要从理论角度出发，研究空间轴承可靠性影响因素作用机理及其演化规律，揭示空间轴承面临的失效模式及机理，并在此基础上提出消除或减缓环境因素激励引起失效的方法和措施。本文以精密轴系中的空间轴承为研究对象，开展可靠性影响因素演化规律研究，主要研究内容如下：针对空间轴承热学特性，以滚动球轴承的拟静力学、传热学以及摩擦生热理论为基础，分析固体润滑空间轴承的摩擦力矩和摩擦热，构建空间环境中空间轴承的热传递网络

5、模型，应用有限元仿真、理论分析和实验研究方法分别研究转速、轴向载荷和交变温度对空间轴承热学特性的影响。针对空间轴承固体润滑膜MoS2的磨损，基于滚动轴承的运动学、动力学和Archard磨损理论建立空间轴承的磨损模型和寿命模型，分别研究转速和载荷对润滑膜磨损深度的影响规律。在静力学的基础上，考虑装配偏差中径向位置偏差，建立其和径向载荷的关系，探究径向位置偏差影响空间轴承内、外圈沟道不同角位置的磨损状况。针对空间轴承间隙的演化规律，从内外圈配合、轴承温升、预紧力和磨损等角度出发，分别分析轴承间隙随其演化规律。基于弹性力学，

6、分析内外圈过盈量挤压内外圈沟道变形，得到过盈量对轴承间隙的作用机理；依据载荷与变形的关系，揭示轴承间隙随工作载荷变化的规律；在沟道磨损的基础，将磨损量折算成空间轴承半径变化量，确定磨损后轴承新的结构参数，分析磨损后滚珠变形量的变化，确定磨损后轴承间隙。针对空间轴承预紧力演化规律，从装配状况、磨损、交变温度和工作载荷的角度出发，分别分析空间轴承预紧力随其演化规律。为保证对空间轴承精确施加轴向预紧力，在考虑配合处摩擦特性的基础上，分析不同过盈量对初始预紧力与拧紧力-I-燕山大学工学博士学位论文矩关系的影响，并通过实验对理论

7、分析予以验证。根据沟道磨损量，计算出空间轴承结构参数变化量，依据变形协调关系分析精密轴系中空间轴承内滚珠变形量的变化量，得到预紧力随磨损深度的演化规律。基于热力学计算交变温度引起精密轴系组件的尺寸和预紧力的变化，揭示预紧力随交变温度的变化规律。采用滚动轴承静力学计算工作载荷下滚珠变形量的变化量，对变形量的变化量进行分析，确定预紧力与工作载荷的关系。针对空间轴承失效模式，通过对空间轴承故障演化趋势进行研究，分析故障的形成因素及其作用机理。根据空间轴承和空间环境的特点，在运行过程中由于润滑膜MoS2磨损导致空间轴承面临着润

8、滑失效和预紧失效；在交变温度的作用下，预测空间轴承可能面临的预紧失效、精度失效、“卡滞”或“卡死”失效、自锁现象、润滑失效和过盈连接失效。搭建交变温度影响预紧力的实验平台，开发预紧力测试软件，验证交变温度影响预紧力的规律。基于空间轴承使用寿命，提出固体润滑空间轴承预紧力优化的新方法。针对交变温度激励预紧力变化，提出选取合适隔套材料