Angular contact ball bearing model for skidding behaviour prediction

Skidding is a phenomenon that frequently occurs in ball–raceway contact areas of bearings and often leads to their early failure. This thesis work presents an analysis of angular contact ball bearings (ACBBs) subjected to various boundary conditions trying to identify the causes for skidding. Many studies are concentrating in modelling this behaviour: the experimental results, performed on a test rig designed by Baker Huges “Nuovo Pignone”, are used in the present paper to evaluate the reliability of the model. At first, simplified rolling relations are developed to analyse typical failure mechanisms caused by the periodicity of the motion. A bearing five degrees of freedom quasi-static model is implemented: it is able to evaluate the variations of internal load distribution and contact angle depending on the operating conditions. Kinematic based models for balls speed calculation are then used as inputs to the bearing code. The accuracy of the proposed model to investigate skidding is then discussed. The results demonstrate the effectiveness of the model in wide operating ranges. In conclusion, the work done can be considered as a first approach in understanding the complex motion relationships that generate skidding. A hydrodynamic lubrication based procedure is finally introduced as further step to the thesis work.

Il fenomeno di skidding si manifesta frequentemente nelle zone di contatto tra sfera e piste provocandone spesso un danneggiamento repentino. Questo lavoro di tesi presenta un’analisi di cuscinetti obliqui a sfere (ACBBs) soggetti a diverse condizioni di funzionamento allo scopo di identificare le cause dello skidding. Diversi studi si sono concentrati nel modellare questo comportamento: i risultati sperimentali, ottenuti in banco prova ideato da Baker Huges “Nuovo Pignone”, sono utilizzati in questo progetto per verificare l’affidabilità del modello. Per prima cosa vengono utilizzate delle relazioni semplificate sul rotolamento per analizzare classici meccanismi di danneggiamento causati dalla periodicità del moto. Un modello quasi-statico e a cinque gradi di libertà del cuscinetto è sviluppato: è dunque possibile valutare le variazioni di carico interno e angolo di contatto al variare delle condizioni operative. Modelli cinematici per il calcolo della velocità delle sfere sono in seguito sfruttati come input per il codice. Deve poi essere discussa l’accuratezza del modello nel predire lo skidding. I risultati dimostrano l’efficacia di quest'ultimo in un ampio campo di applicazione. In conclusione, il lavoro svolto può essere considerato come un approccio iniziale nello studio delle complesse relazioni del moto che generano lo skidding. Infine, un procedimento basato sulla lubrificazione idrodinamica è introdotto come implementazione del lavoro svolto in tesi.