基于拟动力学方法的反转圆柱滚子轴承动力学特性研究

反转圆柱滚子轴承的性能直接影响着航空发动机工作的稳定性与可靠性。为了研究反转圆柱滚子轴承动力学特性,基于弹性流体动力润滑和流体动压润滑等理论,采用拟动力学分析方法,建立了反转圆柱滚子轴承动力学计算模型。利用该计算模型对滚子打滑率进行了验证计算,随着径向载荷的增加,计算值由7%减小至2%,与实验值吻合较好。同时,对反转圆柱滚子轴承动力学进行计算分析,研究了动态运转中轴承的载荷和速度分布,以及不同工作状态对轴承打滑率的影响。研究表明,倒装时反转圆柱滚子轴承承载区滚子受载比顺装更均匀,但非承载区滚子及保持架打滑率比顺装更严重。     

圆柱滚子中介轴承拟静力学分析

航空燃气涡轮发动机为了提高性能经常采用中介轴承.中介轴承对发动机转子系统的动力特性的影响很大,但国内外对中介轴承动力学特性的研究却很少.本文采用拟静力学法,通过分析圆柱滚子中介轴承的运动关系和受载情况,建立了相应的计算模型.本文应用所建立的模型,计算了圆柱滚子中介轴承的动力学特性,并将计算得到的滚子打滑率与试验结果进行了比较.在此基础上,进一步对内外圈反向旋转,且内圈与高压转子联接、外圈与低压转子联接的中介轴承进行了分析,研究了保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力随径向载荷变化的关系.研究结果表明,随着径向载荷的增加,保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力均增大.     

滚子轴承准静态计算分析

本文提出向心圆柱滚子轴承准静态分析方法。分析时考虑了非圆滚道、套圈和滚子相对倾斜、轴承座柔性变形等因素对轴承性能的影响,研究了非圆滚道轴承设计的计算方法和内外圈反转时轴承的特性,提出了内圈倾斜时滚子承载判断方法、分片计算了倾斜滚子的接触力;用柔性二维接触问题的变分法计算了滚子最大应力。润滑模型考虑了赫兹区和入口区滑油的热效应及缺油的影响。      

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.     

V形兜孔圆柱滚子轴承的高速动态性能

保持架打滑和动态不稳定是航空发动机主轴圆柱滚子轴承面临的难题,为此提出一种V形兜孔圆柱滚子轴承,并对其保持架打滑及稳定性展开研究。运用Hertz接触、弹流和流体润滑及牛顿-欧拉动力学理论,建立径向刚性加载下轴承的动力学模型,在此基础上,利用变步距龙格库塔数值积分法进行动力学数值仿真,探讨了V形兜孔的几何参数对保持架打滑及稳定性的影响,分析了兜孔优化后在不同转速下保持架的打滑特性、稳定性及兜孔/滚子碰撞特性,结果表明,V形兜孔的几何参数对保持架打滑及稳定性的影响显著,在30 000~60 000 r/min的转速范围内,优化轴承保持架的打滑率明显低于普通轴承,涡动半径明显小于普通轴承,滚子对兜孔局部碰撞的力幅值和频率也明显小于普通轴承。     

弹性支承下圆柱滚子轴承保持架稳定性分析

基于滚动轴承动力学及结构力学理论,考虑轴承柔性套圈的弹性变形,建立了弹性支承下高速圆柱滚子轴承动力学分析模型,研究了弹性支承的结构参数与轴承工况参数对圆柱滚子轴承保持架稳定性的影响。研究结果表明:（1）与刚性支承相比,弹性支承可明显提高圆柱滚子轴承保持架运动稳定性。当弹性支承具有较少的沟槽数和较薄的圆弧梁时,圆柱滚子轴承保持架稳定性更高。具体表现为保持架相图轨迹更加规则,保持架振动更低,保持架打滑率更小。（2）载荷和转速对弹性支承下圆柱滚子轴承保持架稳定性影响显著。径向载荷较大、转速较低时,弹性支承下圆柱滚子轴承保持架稳定性较高。相反,径向载荷较小、转速较高时,弹性支承下圆柱滚子轴承保持架稳定性变差。      

高DN值滚子轴承保持架断裂分析

对高DN值(轴承内径与转速的乘积)滚子轴承保持架断裂的故障机理进行仿真,采用超高周疲劳理论对仿真结果进行分析,结果表明:以往基于高周疲劳概念的保持架设计方法不适用于高DN值轴承保持架,超长寿命期内造成断裂所需的应力远低于材料的疲劳极限。造成高DN值滚子轴承保持架断裂的主要应力来自高转速带来的离心应力,而兜孔圆角过小导致应力集中过大是造成轴承保持架断裂主要原因,因此增大保持架兜孔圆角或清根能够降低局部应力集中,有利于防止保持架的断裂,提高轴承的可靠性。     

保持架打滑对航空发动机主轴承故障特征频率的影响

通过理论推导,得到保持架打滑率与轴承内、外圈和滚动体故障特征频率之间关系。利用圆柱滚子轴承支承的转子实验台验证了推导公式的正确性,并研究保持架打滑率、实际故障特征频率与理论公式偏差随转速的变化规律。结果表明:随着转速升高,滚动轴承保持架打滑率趋于增大,导致轴承实际故障特征频率与基于纯滚动假设的理论计算值的偏差也随之增大。研究结论对于航空发动机主轴承的故障诊断具有指导意义。      

高速圆柱滚子轴承工作温度研究

将滚子与套圈滚道摩擦生热视为移动热源,建立了高速圆柱滚子轴承温度场计算模型;使用ANSYS的APDL语言发展了轴承工作温度分析的参数化程序,输入热流密度等边界条件,程序能够自动建模精确的分析高速圆柱滚子轴承工作温度.以一个型号轴承为例,分析了不同工况参数对轴承工作温度的影响,结果显示轴承内圈转速、径向载荷和润滑油入口油温对轴承工作温度影响显著.      

高速滚子轴承的动力学分析

根据流体和弹流润滑理论,建立了滚子轴承各元件间的相互作用模型;并根据牛顿运动定律,建立了滚子轴承动力学模型,编制了相应的软件。可以计算各元件之间的载荷分布、油膜厚度,并能对滚子和保持架的打滑、滚子的歪斜和轴向窜动等运动特性进行动态模拟,从而为高速滚子轴承的设计计算和故障分析提供了一种新的有效工具。