高速角接触球轴承保持架稳定性研究进展

随着中国航空航天和装备制造业的发展,对其中的关键基础零部件滚动轴承的精度、寿命和可靠性提出了更高的要求。高速滚动轴承的动态性能特别是保持架的稳定性问题越来越引起人们的重视,保持架不稳定引起的摩擦力矩波动或保持架断裂是高速滚动轴承主要失效形式之一。本文在课题组已有工作积累和文献资料调研基础上,系统总结了保持架动态特性理论和试验研究进展、保持架稳定性影响因素、稳定性判据和优化准则,分析评述了目前研究中存在的不足,并对今后的研究方向进行了展望,比如保持架稳定涡动的机理,乏油润滑状态下接触副的摩擦磨损特性,润滑剂损失、退化引起的润滑参数的变化以及磨损引起的零件几何参数的变化对保持架动态性能的影响。开发高效、可靠的滚动轴承动力学分析软件,并与产品设计、寿命试验相结合提高轴承产品的质量,以适应中国航空工业发展对高性能滚动轴承的需求,已经成为一项迫切的任务。     

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。     

航空发动机高速球轴承动态特性分析

 高速滚动轴承的动态特性对航空发动机转子系统的性能有重要的影响，为尽可能真实模拟轴承实际运转情况，建立轴承零件相互作用模型得到各零件之间力和力矩，使用较精确的弹流模型计算拖动力，采用拟动力学法建立任意受载的球轴承动力学分析模型，提出了工程中非线性方程组的高效解法。编制调试了计算程序READ ( Rolling Element bearing Advanced Dynamics tool)，以276927NK1W1(H)航空轴承为算例分析了工况参数和结构参数对滚动轴承动态特性的影响规律，最后通过Gupta的动力学程序算例验证了程序的准确性。轴承动态特性的研究为研究航空发动机转子轴承集成系统动态性能分析奠定了基础。     

微重力下热泵压缩机承载与润滑技术研究

针对空间微重力下热泵压缩机的承载与润滑,提出了基于气浮轴承的承载与润滑方案,对气浮轴承的静态特性进行了数值仿真分析,并建立了高速气浮轴承试验系统,获取了高速气浮轴承的静态和动态承载特性。证明了所提出的气浮轴承以氟利昂工质可实现高速稳定运行。     

失去润滑的高速滚动轴承工作游隙的分析

分析了某武装直升机传动系统在失去润滑状态下其高速滚动轴承工作游隙的变化情况,推导出考虑构件弹性时轴承游隙变化量的计算公式,并以实例验算.为合理选择滚动轴承游隙值,提高轴承系统寿命乃至整个传动系统生存力提供依据.     

航空发动机滚动轴承-双转子系统动态特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学分析基础上,建立了含滚动轴承动力学与转子动力学耦合以及高、低压转子间耦合的滚动轴承-双转子系统动力学方程,采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对航空发动机滚动轴承-双转子系统非线性动力学方程进行求解,并对滚动轴承结构参数与转子动态特性的关系进行了理论分析.分析结果表明:①中介轴承径向游隙较小时转子系统振动量较小且转子运行较平稳,但中介轴承保持架打滑率会有所提高,应合理选取中介轴承的径向游隙值;中介轴承滚子数量对转子运转稳定性有较大影响,减小中介轴承滚子数量可降低保持架打滑率,但转子系统的振动量会增大;②支承轴承内、外沟曲率半径系数及径向游隙较小时转子系统的振动量较小,转子运转较稳定;支承轴承滚动体数量对转子运转稳定性有较大影响,滚动体数量增多有利于转子系统运行的平稳性.     

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。      

基于弹流润滑理论的深沟球轴承动态虚拟仿真

润滑油膜对轴承的胶合、擦伤和接触疲劳有重要影响.而以往对轴承的仿真均忽略了润滑油膜的存在,误差较大.首先在刚性套圈假设的前提下,基于Hertz接触理论,运用拟动力学法建立球轴承在径向、轴向载荷作用下的力学模型,以Newton-Raphson法为主要计算工具对模型进行求解,获得轴承在联合载荷作用下的接触载荷和变形,并求取了各个滚珠与内、外圈之间的接触刚度.基于弹性流体动力润滑(EHL)理论考虑润滑油膜对轴承动态特性的影响,求取滚动轴承油膜刚度.提出等效综合刚度的概念并求其值,在此基础上运用ADAMS软件对轴承进行准确的动力学仿真.     

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。     

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。     

航空发动机高速滚子轴承动态特性分析

 高速滚子轴承的动态特性对航空发动机转子系统的性能有重要的影响，为得到较准确的轴承动态性能，采用拟动力学法建立承受四自由度载荷的滚子轴承动力学分析模型，模型中各零件之间的力和力矩由建立的轴承零件相互作用模型计算得到，并使用较精确的弹流模型计算拖动力，给出了非圆滚道轴承动态性能的计算方法。通过算例分析了工况参数和结构参数对滚子轴承动态特性的影响规律，最后通过实验结果验证了程序的可靠性。滚子轴承动态特性的研究为研究航空发动机转子-轴承动态性能耦合分析奠定了基础。     

航空发动机主轴滚子轴承非典型失效机理

针对某航空发动机圆柱滚子轴承的非典型失效问题，基于滚动轴承动力学理论，考虑滚子动不平衡量及滚子与套圈挡边间的碰摩，建立高速圆柱滚子轴承的动力学微分方程组，采用预估-校正GSTIFF（Gear stiff）变步长积分算法进行求解，分析了轴承工况参数和结构参数对动不平衡滚子的最大歪斜角和滚子与挡边最大碰撞力的影响。结果表明：滚子最大歪斜角和滚子与挡边最大碰撞力大小随滚子动不平衡量、轴承内圈转速增加而增大，与径向载荷间未表现出明显的相关性；较小的轴向游隙能够有效抑制滚子歪斜，但会增大滚子与挡边碰撞力，存在合理的轴向游隙范围使得在滚子歪斜角不会过大的情况下滚子与挡边碰撞力较小；较小的保持架兜孔周向游隙与挡边负背角和较大的滚子球端面半径能够减小滚子最大歪斜角和滚子与挡边最大碰撞力。     

双列调心滚子轴承摩擦力矩的特性

基于滚动轴承的动力学理论，建立了双列调心滚子轴承动力学微分方程与摩擦力矩数学模型，采用预估-校正GSTIFF(gear stiff)变步长积分算法求解其动力学微分方程，研究了结构参数和工况参数对双列调心滚子轴承摩擦力矩特性的影响。研究结果表明:较小的内滚道密合度与较大的外滚道密合度有利于降低轴承的摩擦力矩；过大、过小的保持架兜孔曲率半径都不利于轴承摩擦力矩的降低，存在一个合理的保持架兜孔曲率半径使轴承摩擦力矩最小；保持架兜孔间隙对轴承的摩擦力矩影响较小，适当增大保持架引导间隙可有效减小轴承的摩擦力矩；适量的增大双列调心滚子轴承径向游隙有利于降低轴承的摩擦力矩。      

基于有限单元热网络法的航空发动机主轴轴承热分析

航空发动机主轴轴承温度场的精准预测对保证发动机润滑系统及整机稳定运转至关重要。针对传统热网络法精度低的问题，提出一种基于有限单元思想的有限单元热网络法。将轴承结构通过网格划分为有限个单元体，每个单元体设置一个温度节点代表该单元体的集总参数，节点间构建热阻关系并形成热网络，通过求解以温度为未知量的大型稀疏矩阵线性方程组来获得滚子轴承横截面的温度分布。该方法可以与轴承局部产热理论相结合，实现轴承局部产热的精准加载，完成温度场的精细化分析。通过与试验结果对比，本文方法对轴承外环表面中心线温度的预测结果与试验结果误差不超过13%。     

高速滚子轴承运动特性的动态模拟

在高速轻载的工况下 ,滚子轴承的打滑蹭伤及由于滚子歪斜引起的滚子端面磨损已成为滚子轴承的主要失效原因。本文根据牛顿运动定律 ,建立了滚子的动力学模型 ,并对滚子轴承径向载荷分布和油膜拖动力的计算进行了详细讨论。利用本文所编制的软件 ,对滚子和保持架的打滑以及滚子的歪斜运动进行了动态模拟 ,得到与实际相符的结果 ,可用为实际轴承设计。     

径向磁气组合轴承系统的动态性能

为探究磁轴承失效时能否减轻转子跌落带来的损害，将人字槽径向动压气体轴承引入磁轴承转子系统，研究磁气组合轴承对系统动态性能的影响和动压气体轴承的支承特性。采用有限差分法和小扰动法求解气膜厚度方程和雷诺方程，研究动压气体轴承的静动态特性。对磁轴承电磁力进行了分析，采用磁轴承不完全微分PID（比例-积分-微分）控制策略，对系统进行了理论模态分析和试验模态分析，完成了系统高速旋转试验，测试了动压气体轴承在不同偏心率和转速下的承载力。结果表明，引入动压气体轴承可提高系统的动态性能，在磁轴承失效造成高速转子跌落瞬间，偏心率趋近于1，两个径向动压气体轴承能够产生较大承载力，减轻转子跌落造成的损害。      

基于内圈滚道廓形的圆柱滚子轴承旋转精度

在轴承几何关系和运动关系分析基础上,建立了考虑内圈滚道廓形的圆柱滚子轴承径向跳动数学模型,分析了内圈滚道圆度误差幅值、谐波阶次、滚子个数以及径向游隙对轴承旋转精度的影响规律,并验证了模型的正确性.结果表明:内圈滚道的圆度误差对轴承旋转精度的影响较大,内圈滚道圆度误差幅值对轴承旋转精度影响较大，内圈滚道低阶谐波对轴承旋转精度的影响较高阶谐波显著；当内圈滚道谐波阶次为滚子个数的整数倍时，轴承旋转精度显著下降；减小内圈滚道圆度误差幅值能有效提高圆柱滚子轴承的旋转精度.      

含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动耦合动力学模型

在航空发动机整机振动模型中对滚动轴承进行了详细建模。建立了5自由度（DOF）球轴承动力学模型，推导了在5自由度复杂变形下的轴承力和力矩表达式；针对圆柱滚子轴承，利用“切片法”，推导了考虑轴承径向变形、圆柱转子凸度、轴承间隙以及轴承倾斜引起的角向变形等复杂因素作用下的圆柱滚子轴承的作用力；将复杂的球轴承模型和滚子轴承模型与6自由度的转子和机匣有限元梁模型结合，建立了含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动模型，并利用数值积分方法进行了动力学方程求解。利用带机匣的转子试验器进行了方法验证，与试验结果对比表明，仿真计算的整机振动前3阶固有频率误差在5%以内，对应振型完全相似。