转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响

建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例,分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明:无转子不平衡量时,转轴振动仅包含保持架频率,而转子不平衡时,转轴振动除保持架频率,还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大,内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大,而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大,且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大,保持架质心运动越不稳定,而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外,还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率,说明保持架运动受转子振动的影响。      

不同工况下高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性分析

根据建立的高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学数值仿真模型,以某仪表轴承支承的转子系统为算例,分析了考虑转子振动与否对系统动力学性能的影响,并详细探究了轴向载荷以及转速对转子振动、轴承内部载荷分布及旋滚比、保持架的受力和质心运动以及磨损情况的影响.结果表明:考虑转子振动时,在纯轴向载荷下,轴承各位置处的球载荷也会存在差...     

考虑保持架间隙碰撞的球轴承-机构系统动力学分析

基于套圈滚道圆环的几何结构方程,建立了钢球和套圈的三维动态接触关系.考虑钢球和保持架的间隙碰撞作用,建立球轴承-曲柄滑块机构系统多体接触动力学模型.运用广义-α方法计算分析了不同转速、径向游隙和保持架兜孔半径间隙下球轴承-机构系统的运动精度和动力学特性,获得球轴承-机构系统的动态误差、套圈中心的相对运动轨迹、保持架中心的运动轨迹和动态作用力等动力学响应.计算结果表明:随着转速和球轴承径向游隙的增加,约束反力、系统动态误差、套圈中心的相对运动轨迹、保持架与套圈中心的相对运动轨迹、球轴承内部的作用力、钢球与保持架的间隙碰撞力均增加.随着保持架兜孔半径间隙的增加,保持架与套圈中心的相对运动轨迹、钢球与保持架的间隙碰撞力和钢球打滑均增加.      

球轴承多体接触动力学研究

考虑钢球、套圈和保持架的动态接触关系,提出了机械系统中球轴承多体动力学分析的新方法.基于套圈滚道的三角网格模型,实现了钢球和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,建立了计及润滑和Hertz接触作用的三维角接触球轴承多体接触动力学模型.运用广义-α方法计算分析了预紧力和旋转径向力作用下角接触球轴承的多体接触动力学特性,获得了球轴承的动态接触力、拖动力和运动轨迹及频谱等振动响应,并利用Gupta经典实例模型进行了实验验证.轻载中等速度下钢球的角速度以184.5rad/s-2波幅周期变化,旋滚比以0.01波幅周期变化,角加速度与动态接触载荷的频谱具有相同的56.1,112.2Hz等谐波倍频成分.中等载荷高速下保持架中心的运动轨迹呈现出以83.3Hz和200Hz双频率拟周期的平动运动.      

高速角接触球轴承腔内气液两相流模拟分析

基于轴承腔内气液两相流流动模型,采用VOF方法和MRF模型对高速角接触球轴承简化模型内润滑油的流动特性进行数值计算,获得腔内速度、压力以及润滑油分布情况。分析轴承转速和润滑油进口流量等参数对油液体积分数的影响,以及轴承腔内润滑油的流动轨迹和润滑油进入腔内的影响机理。结果表明:轴承高速转动阶段,润滑油在滚动体和保持架的搅动作用,在腔内局部形成漩涡不利于润滑油的流动;轴承腔内两相流场的环间压力具有周期性特点,喷射润滑油很难穿过环间压力进入腔内;腔内油液体积分数随轴承转速的升高而降低,随供油量的增加而增加,呈非线性关系;喷射角度对环间油液体积分数和滚道油液体积数的影响很大,选择合适的喷射角度能够得到更好的润滑效果。该研究结果对高速轴承润滑设计提供了一定的参考依据。      

流变模型对航空润滑油拖动系数计算的影响

模拟航空发动机轴承多种工况,测量了润滑油的拖动系数,并利用多种流变模型对拖动系数进行了理论计算。结果表明：弹流工况下,航空润滑油在滑滚比较小时表现为黏弹性,滑滚比较大时表现为黏性;流变模型的选择对于拖动系数的计算结果具有重要影响;不适合采用牛顿模型来预测弹流工况下润滑油的拖动系数;目前为止,在整个工况范围内采用Johnson-Tevaarwerk模型预测润滑油的拖动系数精度较高,但热效应较显著时预测热效应区的拖动系数有较大误差,该模型还需进一步完善。     

新型航空润滑油油膜拖动力计算研究

在自制的试验装置上测量了新型航空润滑油油膜拖动力;给出了高剪切率弹流润滑下的Ery-ing特征应力、极限剪切应力、剪切弹性模量的新型航空油流变参数拟合计算式;确定了该油本构方程;建立了该油油膜拖动力计算式, 并进行了试验验证.试验结果表明:该油在试验条件下表现为粘弹性;拖动力的理论计算值与试验测量值相当吻合.给出的拖动力计算方法可用于指导润滑分析领域的工程计算.      

不同轴承壁面沟槽诱导油液穿透机理

以高速角接触球轴承为研究对象,在轴承外圈内壁开设沟槽,采用流体动力学对高速轴承壁面沟槽模型进行气液两相流数值模拟。利用VOF(volume of fluid)模型对轴承环间气液两相流界面进行动态捕捉,分析油液在沟槽诱导作用下的运动过程和分布特点,探究阻碍油液进入腔内的影响机理。分别研究了沟槽形状、深度、方向以及喷油参数等因素对高速轴承腔内和滚道润滑油体积分数的影响规律。研究结果表明:在高速轴承喷油润滑阶段,通过对沟槽形状、深度、方向的分析,得到圆弧形沟槽适用于高速轴承,沟槽深度为0.8 mm,沟槽方向为60°有利于油液进入轴承环间,腔内有效润滑油和外滚道油液体积分数最高。通过试验测得壁面有沟槽和无沟槽轴承腔内油液体积分数并与仿真结果对比,发现在轴承高速阶段开设壁面沟槽有利于润滑油进入轴承腔,为高速轴承的润滑设计提供了新的方法。      

高速圆柱滚子轴承保持架动力学特性分析

建立了高速圆柱滚子轴承动力学微分方程,采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对高速圆柱滚子轴承动力学微分方程进行求解,并对保持架的动力学特性进行了理论分析.结果表明:过大的保持架间隙比不利于保持架稳定运转;在一个套圈固定、另一个套圈工作状态下,保持架引导方式采用旋转套圈引导时,保持架打滑率较低;保持架采用外引导方式时保持架质心运动较为稳定;在内外圈同向旋转且外圈转速高于内圈转速条件下,保持架采用外引导方式时,保持架打滑率较低;在内外圈反向旋转且外圈转速高于内圈转速条件下,保持架质心轨迹变得不规则;保持架采用外引导方式时,保持架打滑率为负值.      

某液体火箭发动机涡轮泵球轴承故障机理及改进方案(已撤稿）

针对某型号液体火箭发动机涡轮泵球轴承在试验过程中出现的故障,在进行轴承故障机理分析的基础上,对轴承关键结构参数进行了改进,使用滚动轴承动力学分析软件SARB(simulation and analysis of rolling bearings)对比分析了改进前后轴承的接触应力、接触角、旋滚比、保持架打滑率和质心轨迹等性能参数,并通过试验手段验证轴承改进方案和动力学分析结果的正确性。结果表明:轴承结构参数改进后,内接触角减小,保持架打滑率由10%下降到4%,钢球旋滚比和打滑速度均降低,钢球和保持架运转稳定性均提高。      

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理

在角接触球轴承动力学分析基础上,建立了公-自转耦合的控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组和摩擦力矩理论计算式,开展了轴承保持架结构、滚道加工精度和轴承预紧力等参数对控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性的影响研究,分析了某型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动的机理。分析结果表明：保持架外径表面与套圈引导挡边之间碰摩以及钢球与保持架兜孔间碰摩是引起该型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常变化的主要因素。合理的轴承原始径向游隙可有效消除轴承保持架外径表面与套圈引导挡边之间的碰摩现象,且避免控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩明显异常波动。     

陀螺角接触球轴承摩擦力矩波动性分析

基于滚动轴承动力学理论,建立了陀螺角接触球轴承的动力学微分方程组与摩擦力矩数学模型,采用预估-校正的GSTIFF(gear stiff)变步长积分算法求解其动力学微分方程组,研究了轴承轴向预紧力以及保持架结构参数对轴承摩擦力矩幅值及波动性的影响,并进行了相关试验验证。结果表明:过大和过小的轴向预紧力均会增加轴承摩擦力矩的幅值与波动性;过大的保持架兜孔间隙和过小的保持架引导间隙都将引起轴承总摩擦力矩的幅值及波动性的增加,进而影响陀螺电动机输出功率的稳定性;保持架运行越稳定,轴承总摩擦力矩的幅值和波动性越小。     

基于拟动力学高速角接触球轴承动态特性分析

为真实地反映高速角接触球轴承的运转情况，建立了高速角接触球轴承拟动力学分析模型，选用BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)计算方法嵌入高速角接触球轴承拟动力学计算程序，并通过与SKF公司开发的拟动力学分析程序AT74Y001的计算实例进行对比，两者计算误差在5%之内.通过分析不同结构参数合工况参数对轴承动态特性的影响可以得到:随着轴向载荷的增大，内、外圈接触角增大；随着径向载荷的增大，在承载区内圈接触角减小，外圈接触角增大，在非承载区内圈接触角增大，外圈接触角减小；随着转速的增加，轴承内圈接触角的逐渐变大，外圈接触角逐变小；随着钢球数目和轴向载荷的增大，轴承在3个方向刚度逐渐增大；随着内圈沟曲率系数、径向载荷和转速增大，轴承在3个方向刚度逐渐减小.      

高速圆柱滚子轴承保持架运动分析

在高速滚动轴承中保持架的动态性能对轴承的整体性能有着重要的影响,保持架的质心运动是动态性能的具体表现之一.针对高速圆柱滚子轴承,建立了动态分析模型,通过模型进行数值仿真,分析保持架的质心运动,研究了轴承转速、载荷、游隙等对保持架质心运动轨迹的影响.研究结果表明:转速对保持架的运动状态具有决定性作用,转速超过一定值时,保持架的质心产生涡动,速度越高涡动稳定性越好;径向载荷大,保持架涡动时质心轨迹紊乱而不规则,保持架的运动稳定性差;游隙越小,涡动越严重但涡动稳定性好.研究结果可对高速圆柱滚子轴承保持架的动态性能分析提供一定的技术支持及理论依据.     

考虑热变形影响的主轴轴承动态特性

针对角接触球轴承高速工况下内部易产生大量的热量、温升过高而引起轴承零件热变形,导致轴承内部沟道曲率中心与球中心几何位置关系发生变化,进而影响动力学状态的问题,基于轴承分析的拟静力学理论,考虑了轴承内部摩擦功耗生热和轴承零件的热变形。利用热网络法划分主轴单元热网络节点,定义节点之间的热阻抗,建立了稳态热网络模型。分析了不同工作转速和载荷下各节点温升导致的轴承零件的热变形,得出了轴承动态特性和热特性之间的耦合关系模型,并分析研究了轴承内部的动力学特性。结果表明:随着轴承工作转速和载荷的变化,考虑热变形和不考虑热变形时的轴承接触载荷和接触角有显著不同,高速条件下轴承内部的热变形对轴承的动态特性影响巨大,是轴承在正常使用期间出现故障的主要原因之一。      

斜面兜孔圆柱滚子轴承的高速防打滑特性

为解决航空发动机主轴圆柱滚子轴承的打滑问题,提出一种具有斜面兜孔结构的圆柱滚子轴承,并对其高速防打滑特性展开研究。利用Hertz接触理论及弹流润滑、流体动力润滑的经验公式,建立了滚子-内外套圈滚道、兜孔-滚子、保持架-外圈引导面的接触模型。运用多体运动学及牛顿-欧拉动力学理论,建立了轴承径向平面内的三自由度动力学模型,在此基础上,利用龙格库塔数值积分法进行了轴承的动力学数值仿真,探讨了兜孔前后壁倾角对轴承打滑的影响规律,分析了兜孔前壁倾角为5°、后壁倾角为10°下轴承的高速打滑特性,结果表明：兜孔的前后壁倾角对轴承打滑有显著影响,通过对其进行优化,可有效抑制轴承的高速打滑。     

双层滚珠轴承力学特性分析

基于拟动力学原理,在考虑轴承所承受的径向载荷、轴向载荷、滚珠自身离心力以及陀螺力矩联合载荷作用的影响下,建立双层滚珠轴承在高速及载荷作用下的力学模型,通过MATLAB编程仿真,分析不同载荷参数和结构参数对轴承力学特性的影响,并对计算方法进行了实验验证.研究结果表明:内外两节径关系直接影响到内圈和中圈之间的转速分配关系;径向载荷和轴向载荷对接触角的变化影响较大,直接关系到滚珠轴承的失效情况;工作转速、滚珠的材料、轴向预紧力以及滚珠初始接触角等对轴承的刚度影响较大.研究结果为双层滚珠轴承的设计和应用提供一定的理论依据.      

航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂机理

以WP6发动机轴承为例,对航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂的机理进行了分析探讨。分析认为,保持架能否产生疲劳断裂主要取决于钢球和兜孔之间碰撞力的大小,而碰撞力的大小又主要与角速度变化量有关,最后提出了预防措施。     

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

Influences of preload on the friction and wear properties of high-speed instrument angular contact ball bearings

For starved-oil or solid lubrication of high-speed instrument angular contact ball bearings, friction heating and wear are the main reasons of bearing failures. This paper presents a dynamic wear simulation model to investigate the impacts of different preload methods and the changes of preload caused by wear on bearing wear life. The integral value QV of stress and sliding velocity in the contact ellipses between a ball and the inner and outer races determines friction heating and wear. The changes of QV with the friction coefficient and the wear volume under constant-force preload and fixed-position preload are analyzed. Results show that under the same initial preload, the QV decreases with an increase of the friction coefficient for both preload methods, and the latter is slightly larger. The wear of the ball and the race is equivalent to the ball diameter reduction. The QV of constant-force preload is almost not changed with a decrease of the ball diameter, but for fixed-position preload, the value decreases firstly and then increases substantially due to insufficient preload, and slipping occurs, the ball diameter is reduced by 0.025%, while the preload is reduced by 60.33%. An estimation of the bearing wear life under different preload methods requires a consideration of the changes in the wear rate of bearing parts.