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.      

滚动轴承保持架-滚动体接触动力学建模与接触特性

采用非线性弹簧单元、阻尼单元模拟保持架与滚动体之间的碰撞接触,并综合考虑碰撞接触、摩擦以及兜孔间隙等非线性因素,建立了滚动轴承动力学分析模型。通过动力学仿真研究了保持架与滚动体之间的碰撞接触特性及轴承载荷、转速对保持架接触特性的影响。研究结果表明:滚动体与保持架兜孔前、后端交替产生非连续性碰撞接触并造成保持架转速出现不规律的波动。滚动体与保持架兜孔前、后端接触力的最大值和保持架转速的波动范围随着轴承径向载荷的增加而减小,随轴承转速的增加而增大。所建立模型可为滚动轴承的设计及保持架的失效分析提供理论依据。      

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。     

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。      

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。      

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。     

高速球轴承打滑的临界负荷研究

对高速球轴承滚动体受力分析,得出其打滑机理.建立轴承零件相互位置关系模型确定了各零件的理论转速.用拟静力学和拟动力学结合的方法计算承受联合负荷球轴承的临界轴向负荷.以27927NK1W1(H)航空轴承为算例,研究了承受不同载荷的临界负荷.结果表明径向载荷对临界负荷值的影响较大;当保持架转速明显趋于平稳且承载滚动体不发生打滑时,得到承受联合负荷轴承的临界负荷.用Gupta的典型算例和Poplowski的试验结果对该方法的可靠性进行了验证.      

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.      

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。     

公-自转耦合的滚针轴承保持架振动特性

建立了含公-自转耦合的行星轮滚针轴承动力学微分方程组,采用gear stiff（GSTIFF）变步长积分算法对微分方程组进行求解,对比研究了有无公转工况下保持架的打滑率和振动特性,分析了公-自转耦合工况下结构参数和工况参数对两者的影响。结果表明:纯自转工况下保持架振动加速度幅频图各倍频处对应1个幅值,公-自转耦合工况下各倍频处对应2个幅值;在公-自转耦合工况下,保持架振动幅值随径向力和公转速度的增大而增大,随自转速度的增大而减小,存在一个最优间隙比,即间隙比为1左右时使保持架振动幅值最小;保持架打滑率变化趋势与纯自转时一致,但数值减小且减幅越来越大;综上,公-自转耦合工况下会增大保持架径向振动特性,减小周向振动特性。      

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.      

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.     

Cage slip characteristics of a cylindrical roller bearing with a trilobe-raceway

Based on dynamic analysis of rolling bearings, the nonlinear dynamic differential equations of a cylindrical roller bearing with a trilobe-raceway were established and solved by the GSTIFF (gear stiff) integer algorithm with a variable step. The influences of structural parameters and the tolerance of the trilobe-raceway, working conditions of the bearing, and the outer ring installation method on cage slip characteristics were investigated. The results show that: (i) The cage slip ratio and bearing rating life of a cylindrical roller bearing with a trilobe-raceway would reduce when the low-radius (radius of the outer raceway contour at the lowest point) and D-value (difference value between the high and low points of the outer raceway contour) decrease, and the former (low-radius) contributes more significantly. (ii) The cage slip ratio of a cylindrical roller bearing with a trilobe-raceway rises with the increase of the bearing speed, and decreases with the increase of the radial force; the variation range increases with the increase of the low-radius. (iii) When the installation angle of the outer ring increases in a period, the cage slip ratio remains unchanged while the bearing rating life rises up a little. Therefore, when installing a cylindrical roller bearing with a trilobe-raceway, the location of the maximum radius shall be under that of the radial force to improve the bearing rating life. (iv) With the increase of the roundness of the base circle where the radius of the lowest points of the trilobe-raceway contour locates, the cage slip ratio rises gradually and the bearing rating life decreases.