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.     

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。     

高速圆柱滚子轴承动态特性分析

建立了高速圆柱滚子轴承非线性动力学分析数学模型,并采用Newton-Raphson法对该模型进行求解,得到滚子轴承动态性能参数;分析了轴承在不同径向载荷作用下,不同角位置处滚子自转速度变化规律,得出滚子与套圈滚道间最小油膜厚度和接触载荷的分布情况.结果表明:轴承在转速一定时,随着径向载荷的增大,受载滚子数增多;较小的径...     

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。     

反转圆柱滚子轴承生热特性研究

为研究反转圆柱滚子轴承的生热特性,采用拟动力学分析方法,进行轴承元件间的相互作用分析和轴承生热分析,建立了反转轴承生热量计算模型。模型考虑了滚子、保持架的打滑,以及滚子、保持架的搅油损失和涡动损失。利用试验数据对模型进行验证,研究了影响反转轴承生热的主要因素。结果表明,模型计算值与试验值吻合良好,误差不超过5.5%;反转轴承生热量随内外环转速的增加而增大,随进口滑油温度的升高,逐渐减小,而径向载荷对其影响很小。     

航空发动机中介轴承的特性分析

针对内外圈同向旋转和内外圈反向旋转的两种航空发动机圆柱滚子中介轴承, 应用拟静力学法对其进行了分析, 讨论了它们的保持架转速与滚子自转转速随径向载荷变化的规律, 并且比较了二者在各自的工作方式下的工作特性.由特性对比可知, 在内外圈反向旋转, 内圈转速大于外圈转速的工作方式下, 中介轴承具有较低的打滑率, 较高的疲劳寿命, 并且有利于密封和转子的振动稳定性;在内外圈同向旋转, 内圈转速小于外圈转速的工作方式下, 中介轴承受载区滚子自转转速较低, 有利于提高滚子的使用寿命.      

不同支承结构下同转/对转中介轴承的刚度特性

中介轴承是耦合双转子航空发动机的关键部件，为了探明中介支承结构特征、装配条件和发动机工况对中介轴承刚度特性的影响，建立了中介圆柱滚子轴承刚度特性分析模型。模型综合考虑了中介支承结构形式、轴承内外环相对旋转方向、内外环配合参数、内外环锁紧螺母拧紧力矩、轴承工作温度、发动机转速、径向载荷和弹性流体动力润滑等方面的影响，分析了某型机中介轴承的径向刚度随各参数的变化规律。结果表明，内外环配合参数和发动机工况对中介轴承的刚度影响较大，设计时应考虑刚度变化对转子系统动力学特性的影响；中介轴承刚度对锁紧螺母的拧紧力矩不敏感。另外，中介轴承刚度同中介支承结构形式及内外环的相对旋转方向密切相关，设计时应结合气动性能和结构动力学的要求合理选取，避免对发动机的可靠性造成不利影响。     

高速轻载圆柱滚子轴承打滑特性试验与分析

针对航空发动机圆柱滚子轴承在高速轻载条件下的打滑问题，开展试验与理论研究。基于滚动轴承打滑试验，探究内圈转速、径向载荷对轴承打滑特性的影响。同时考虑轴承工作径向游隙变化，求解滚子受力情况与轴承总力矩，并结合试验结果进行分析。研究表明，轴承内圈转速低于10 000 r/min时，径向载荷增大使轴承工作径向游隙增大，同时加剧轴承打滑程度。随着内圈转速升高，轴承工作径向游隙逐渐减小；存在内圈临界转速，此时轴承打滑率最大。不同径向载荷下内圈临界转速有所差别，本次试验所得内圈临界转速在7 000～8 000 r/min之间。轴承整体滚子的总力矩直接影响轴承打滑程度。     

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.      

负游隙对高速高温薄壁圆柱滚子轴承动态性能的影响分析

计算了圆柱滚子轴承径向游隙为负值时的等效径向预紧载荷,并考虑等效径向预紧载荷下的套圈弹性变形,通过求解包含套圈弹性变形接触变形等效径向预紧载荷的非线性方程组,得到负游隙圆柱滚子轴承内部的载荷分布情况,以及负径向游隙带来的套圈周向应力.以此分析了负游隙对轴承承载性能及疲劳寿命的影响.结果表明:负径向游隙能够有效降低轴承打滑率,但同时也会降低轴承疲劳寿命,因此在负游隙设计时需同时考虑打滑率和轴承寿命,选择恰当的负游隙.     

圆柱滚子轴承V形兜孔形面的磨损性能

为研究高速轻载工况下兜孔形面几何参数对V形兜孔圆柱滚子轴承保持架磨损性能的影响,建立了考虑兜孔处润滑影响的轴承动力学模型。以基于Masjedi磨损模型的时间平均磨损率作为磨损性能的评价标准,研究了兜孔形面几何参数对V形兜孔保持架磨损性能的影响规律,分析了在不同转速下兜孔壁倾角均为15°的V形兜孔保持架的磨损性能及打滑特性。结果表明：兜孔形面几何参数对保持架的磨损性能影响显著,通过对其优化可有效提升保持架的磨损性能;保持架的时间平均磨损率随内圈转速的增加而上升;在内圈转速的范围为5 000～20 000 r/min时,兜孔壁倾角均为15°的V形兜孔保持架的时间平均磨损率和打滑率均低于普通直兜孔轴承。     

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。     

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。      

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

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。      

薄壁交叉圆柱滚子轴承最佳径向工作游隙

以型号为RA8008UUCC0对数修形的薄壁交叉圆柱滚子轴承为分析对象,借助RomaxDesigner软件对比分析在联合载荷作用下径向工作游隙对承载滚子数、滚子最大载荷、滚道应力分布、轴承刚度、最小油膜厚度和疲劳寿命的影响情况,得出径向工作游隙是影响轴承力学性能的关键因素,结果表明:轴承受载滚子数随游隙的减小而增多,滚子与滚道接触应力分布趋于均匀化,相同条件下,倾覆力矩的影响比较显著。联合载荷作用下,随着工作游隙的减小,轴承刚度增大。当径向工作游隙小于-0.002mm时,随着径向工作游隙绝对值的增大,滚子与滚道接触变形减小,接触应力增大,刚度增大,最小油膜厚度减小,轴承寿命降低。同一径向工作游隙下,倾覆力矩可以减小滚子与轴承内外圈之间的油膜厚度,从而显著降低轴承疲劳寿命,轴承最佳径向工作游隙范围为-0.004~0mm。     

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.