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.      

航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力学分析

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了低压转子与高压转子的中介轴承、高压转子与机匣的碰摩、以及滚动轴承外圈与轴承座之间的弹性支承和挤压油膜阻尼等耦合作用.在滚动轴承模型中,考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(Varying compliance)振动等.最后,运用数值积分方法获取了系统响应,对双转子系统响应进行动力学分析与验证.      

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。      

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%.      

航空发动机转子-滚动轴承-支承-机匣耦合系统的碰摩故障分析与验证

针对实际的航空发动机转子系统,建立了含碰摩故障的转子-滚动轴承-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,考虑了机匣运动,弹性支承、挤压油膜阻尼,充分考虑了轴承间隙、滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的变柔性(VaryingcomplianceVC)振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并建立带机匣的航空发动机转子实验器进行碰摩故障实验,仿真结果与实验结果比较分析表明了模型的有效性.      

航空发动机整机振动耦合动力学模型及其验证

针对航空发动机整机振动,建立了一种通用的复杂转子-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,利用有限元方法对转子和机匣系统进行建模.支承系统采用集总参数模型,计入了滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性,定义了多种支承和连接方式,以适应多转子和多机匣的复杂结构建模.运用数值积分获取系统非线性动力学响应.针对两个实际的航空发动机转子实验器,建立了整机耦合动力学模型,进行了整机模态实验验证,结果表明了航空发动机整机振动耦合动力学建模方法的正确有效性.      

含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.模型中考虑了低压转子与高压转子的中介轴承耦合作用,滚动轴承模型中考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(varying compliance)振动等因素.利用仿真模型,进行了同向和反向旋转双转子系统的拍振响应分析,结果表明当高低压转子的转速差较小时,双转子系统的拍振响应明显.同时研究了同转和反转双转子系统轴心轨迹响应的差异,研究表明反向旋转双转子系统的轴心轨迹会形成“花瓣”状.最后,利用双转子试验器验证了仿真结果的正确性,进一步验证本文所建模型的正确性.      

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。     

机动飞行条件下双转子系统动力学建模与响应分析

考虑航空发动机双转子中介轴承的耦合作用及陀螺力矩的影响,利用Lagrange方程建立了机动飞行条件下双转子-滚动轴承支承耦合系统动力学模型，对耦合双转子系统的动力学特性进行了理论与实验研究.结果表明:随着内外转子转速比增大，高压转子振动幅值减小，分岔点处转速增大，最大增幅近67.49%.机动飞行使转子的振动响应幅值增大，出现较多分频.在跃升和横滚飞行姿态下，高压转子响应主要表现为:随着跃升速度增加，高压转子振动幅值明显增加，最大增幅近409.24%，分岔点对应的速度增大；在横滚速度增大时，转子振动特性主要表现为从复杂的运动形态变换到单周期运动形态,转子的振动幅值明显增加.利用基础运动双转子模型实验台对跃升和横滚两种飞行姿态下耦合双转子系统的部分动力学特性进行了实验研究,实验结果与数值模拟结果有较好的一致性，证明了计算结果的正确性.      

Alford力和滚动轴承对轴流压缩机转子系统动力特性和稳定性的影响

 研究叶尖气隙和滚动轴承共同作用下轴流压缩机的非线性动力特性及稳定性。采用有限元法和非线性滚动轴承模型,建立压缩机转子系统动力学模型,其中转子旋转时非均匀分布叶尖气隙引起的气动失稳力(即Alford力)根据已有实验数据和计算模型求得。通过计算分析发现叶尖气隙和滚动轴承分别激起系统的反进动和正进动共振频率,其共同作用造成压缩机转子系统的失稳,很好地解释了已有实验中出现的失稳现象。表明滚动轴承反力和Alford力的共同作用对压缩机转子系统的动力性能和稳定性有显著影响。     

滚动轴承-火箭发动机液氢涡轮泵转子系统的动力特性分析

用有限元方法建立火箭发动机液氢涡轮泵转子的离散化模型,并提出考虑滚动轴承内间隙、运行表面波纹度和滚动体离心力等因素的二自由度滚动轴承模型,从而建立了滚动轴承－液氢涡轮泵转子系统的非线性动力学模型。通过数值仿真研究了液氢涡轮泵转子系统动力学问题集中的启动阶段的非线性动力特性。发现在启动阶段不但有同步共振,而且会发生亚谐共振。径向载荷的大小会显著影响同步及亚谐共振的起始时间。滚动体的离心力和滚动轴承的波纹度对转子系统的动力特性有明显影响。     

Nonlinear vibration response characteristics of a dual-rotor-bearing system with squeeze film damper

Rolling bearing and Squeeze Film Damper (SFD) are used in rotor support structures, and most researches on the nonlinear rotor-bearing system are focused on the simple rotor-bearing systems. This work emphasizes the comparative analysis of the influence of SFD on the nonlinear dynamic behavior of the dual-rotor system supported by rolling bearings. Firstly, a reduced dynamic model is established by combining the Finite Element (FE) method and the free-interface method of component mode synthesis. The proposed model is verified by comparing the natural characteristics obtained from an FE model with those from the experiment. Then, the steady-state vibration responses of the system with or without SFD are solved by the numerical integration method. The influences of the ball bearing clearance, unbalance, centralizing spring stiffness and oil film clearance of SFD on the nonlinear steady-state vibration responses of the dual-rotor system are analyzed. Results show that SFD can effectively suppress the amplitude jump of the dual rotor system sustaining two rotors unbalance excitations. As the ball bearing clearance or unbalance increases, the amplitude jump phenomenon becomes more obvious, the resonance hysteresis phenomenon strengthens or weakens, the resonant peaks shift to the left or the right, respectively. SFD with unreasonable parameters will aggravate the system vibration, the smaller the oil film clearance, the better the damping performance of the SFD, the larger the centralizing spring stiffness is, the larger resonance amplitudes are.     

A 5-DOF Model for Aeroengine Spindle Dual-rotor System Analysis

This paper develops a five degrees of freedom(5-DOF) model for aeroengine spindle dual-rotor system dynamic analysis.In this system,the dual rotors are supported on two angular contact ball bearings and two deep groove ball bearings,one of the latter-mentioned bearings works as the inter-shaft bearing.Driven by respective motors,the dual rotors have different co-rotating speeds.The proposed model mathematically formulates the nonlinear displacements,elastic deflections and contact forces of bearings with consideration of 5-DOF and coupling of dual rotors.The nonlinear equations of motions of dual rotors with 5-DOF are solved using Runge-Kutta-Fehlberg algorithm.In order to investigate the effect of the introduced 5-DOF and nonlinear dy-namic bearing model,we compare the proposed model with two models:the 3-DOF model of this system only considering three translational degrees of freedom(Gupta,1993,rotational freedom is neglected);the 5-DOF model where the deep groove ball bearings are simplified as linear elastic spring(Guskov,2007).The simulation results verify Gupta’s prediction(1993) and show that the rotational freedom of rotors and nonlinear dynamic model of bearings have great effect on the system dynamic simula-tion.The quantitative results are given as well.     

Impact of lubricant traction coefficient on cage's dynamic characteristics in high-speed angular contact ball bearing

In this paper, the formulas of elasto-hydrodynamic traction coefficients of three Chinese aviation lubricating oils, 4109, 4106 and 4050, were obtained by a great number of elasto-hydrodynamic traction tests. The nonlinear dynamics differential equations of high-speed angular contact ball bearing were built on the basis of dynamic theory of rolling bearings and solved by Gear Stiff (GSTIFF) integer algorithm with variable step. The impact of lubricant traction coeffi-cient on cage's dynamic characteristics in high-speed angular contact ball bearing was investigated, and Poincare map was used to analyze the impact of three types of aviation lubricating oils on the dynamic response of cage's mass center. And then, the period of dynamic response of cage's mass center and the slip ratio of cage were used to assess the stability of cage under various working con-ditions. The results of this paper provide the theoretical basis for the selection and application of aviation lubricating oil.     

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.      

航空发动机高速滚珠轴承力学特性分析与研究

滚动轴承是航空发动机转子系统广泛使用的一种支承,其结构和力学特性对转子系统的动力特性有重要的影响,尤其是高速下更为显著。研究高速滚动轴承的力学特性具有十分重要的意义。本文利用拟动力学法,同时考虑径向负荷、轴向负荷、自身离心力以及陀螺力矩作用的影响,建立了高速滚珠轴承载荷分布的分析模型。研究了不同结构参数和载荷参数对滚珠轴承力学特性的影响,得到了滚珠轴承接触角、变形以及接触刚度的变化规律。最后,通过实验进行了验证。      

球轴承接触疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

以线弹性力学及连续损伤力学为基础,构建球轴承接触疲劳的损伤演化方程。利用轴承钢GCr15扭转疲劳试验数据拟合得到损伤演化方程中的材质参数。通过该方程预估轴承钢GCr15的扭转疲劳寿命,其结果与试验数据吻合。采用ABAQUS有限元分析软件仿真得到6206球轴承的接触应力分布并分析了6206球轴承最大接触应力区。根据6206球轴承的载荷及应力应变状态将最大接触应力区简化为二维平面应力模型。在此基础上预估了6206球轴承的接触疲劳寿命。设计并进行了6206球轴承疲劳强化试验。轴承接触疲劳剥落都萌生于内圈,与应力仿真分析结果相契合。三个试验轴承的试验与预估接触疲劳寿命的相对误差分别为29.52%、3.03%和51.16%,验证了接触疲劳寿命预估方法的有效性。研究表明采用损伤力学预估球轴承的接触疲劳寿命是工程中可行且实用的方法。      

大滑速下合成润滑油的摩擦牵引力研究

本文采用部分弹性流体动力润滑理论和Ree—Eyring流变学模型研究了国产航空合成润滑油的摩擦牵引特性,获得了合成润滑油的牵引力系数随载荷、速度、材料、润滑油粘度及环境温度变化的规律。