Fatigue analysis of rolling element bearing under high-speed and heavy-load conditions

This thesis presents an in-depth investigation into the mechanical performance and fatigue behavior of angular contact ball bearings (ACBBs) under varying applied loads and rotational speeds, integrating advanced modeling techniques with material comparisons. A novel mathematical and theoretical coupled model is developed, incorporating elastohydrodynamic lubrication (EHL), thermal transience, and multiparticle contact mechanics. The proposed model is benchmarked against the conventional Harris model to assess its predictive capability across a wide range of operational conditions. Key parameters studied include inner and outer raceway contact loads, ball-raceway contact angles, friction torque components, heat generation, and bearing fatigue life. Results indicate that the new model consistently predicts higher contact loads than the Harris model, particularly under elevated loads and at lower speeds, due to its consideration of local deformation, dynamic lubrication film behavior, and transient thermal effects. Contact angles and load distribution shift significantly with speed, highlighting the importance of centrifugal and gyroscopic effects at high RPMs. The thesis also evaluates the performance of three bearing materials—alloy steels, nickel-based superalloys, and titanium alloys. Alloy steels demonstrate superior load-deflection stiffness and contact load capacity, while titanium alloys exhibit the longest fatigue life under light loads but degrade faster under heavy loads. At 15,000 RPM, improved EHL and centrifugal force effects contribute to extended fatigue life, counteracting some of the detrimental impacts of high-speed operation. Friction torque analysis reveals a nonlinear increase with load and a strong speed dependency in viscous and spin components, driving substantial heat generation. Thermal analysis confirms that both spinning and viscous friction are the dominant contributors to heat under high-speed conditions. Fatigue life modeling shows an inverse relationship with applied load but improved endurance at extreme speeds due to favorable load redistribution and lubrication conditions. The findings of this work underscore the necessity of integrating lubrication, thermal, and dynamic loading effects into bearing analysis for more accurate performance prediction. The proposed model enhances the understanding of ACBB behavior and offers valuable insights for optimized design, material selection, and predictive maintenance in demanding applications such as aerospace, automotive, and industrial machinery. Future work should include experimental validation and explore long-term reliability and defect evolution under extreme operating conditions. The operating conditions simulated in this study closely reflect those experienced by ball bearings supporting the main shaft in aircraft gas turbines.

Questa tesi presenta un’indagine approfondita sulle prestazioni meccaniche e sul comportamento a fatica dei cuscinetti a sfere a contatto angolare (ACBB) sotto carichi applicati e velocità di rotazione variabili, integrando tecniche di modellazione avanzate con un confronto tra diversi materiali. È stato sviluppato un nuovo modello teorico matematico accoppiato, che incorpora la lubrificazione elastoidrodinamica (EHL), la transienza termica e la meccanica del contatto multiparticellare. Il modello proposto è stato confrontato con il modello convenzionale di Harris per valutarne la capacità predittiva in un’ampia gamma di condizioni operative. I parametri principali analizzati includono i carichi di contatto sulle piste interna ed esterna, gli angoli di contatto tra sfere e piste, le componenti della coppia d’attrito, la generazione di calore e la vita a fatica del cuscinetto. I risultati indicano che il nuovo modello prevede costantemente carichi di contatto più elevati rispetto al modello di Harris, in particolare sotto carichi elevati e a basse velocità, grazie alla considerazione delle deformazioni locali, del comportamento dinamico del film lubrificante e degli effetti termici transitori. Gli angoli di contatto e la distribuzione dei carichi variano significativamente con la velocità, evidenziando l’importanza degli effetti centrifughi e giroscopici ad alti regimi di rotazione. La tesi valuta inoltre le prestazioni di tre materiali per cuscinetti: acciai legati, superleghe a base di nichel e leghe di titanio. Gli acciai legati mostrano una superiore rigidezza carico deflessione e una maggiore capacità di sopportare carichi di contatto, mentre le leghe di titanio presentano la vita a fatica più lunga sotto carichi leggeri, ma subiscono un degrado più rapido sotto carichi elevati. A 15.000 giri/min, il miglioramento dell’EHL e gli effetti delle forze centrifughe contribuiscono a prolungare la vita a fatica, compensando parte degli impatti negativi dell’alta velocità. L’analisi della coppia d’attrito rivela un aumento non lineare con il carico e una forte dipendenza dalla velocità nelle componenti viscose e di rotazione, che determinano una significativa generazione di calore. L’analisi termica conferma che l’attrito di rotazione e quello viscoso sono i principali contributori al calore prodotto in condizioni di alta velocità. La modellazione della vita a fatica mostra una relazione inversa con il carico applicato, ma una migliore resistenza a velocità estreme grazie a una più favorevole redistribuzione dei carichi e a condizioni di lubrificazione migliorate. I risultati di questo lavoro sottolineano la necessità di integrare gli effetti della lubrificazione, della termica e dei carichi dinamici nell’analisi dei cuscinetti per ottenere previsioni più accurate delle prestazioni. Il modello proposto migliora la comprensione del comportamento degli ACBB e offre indicazioni preziose per l’ottimizzazione della progettazione, la selezione dei materiali e la manutenzione predittiva in applicazioni impegnative quali l’aerospazio, l’automotive e i macchinari industriali. Il lavoro futuro dovrebbe includere una validazione sperimentale e approfondire l’affidabilità a lungo termine e l’evoluzione dei difetti in condizioni operative estreme. Le condizioni operative simulate in questo studio riflettono da vicino quelle sperimentate dai cuscinetti a sfere che supportano l’albero principale nelle turbine a gas aeronautiche.