中介轴承外圈故障动力学建模及仿真分析

为了研究航空发动机中介轴承故障特征,基于Hertz非线性接触理论,建立了一种考虑时变位移激励的4自由度中介轴承外圈故障动力学模型。采用双转子试验台对中介轴承外圈故障进行实验模拟,实验结果和动力学模型数值求解结果一致,验证了所建立模型的准确性。采用动力学模型仿真分析了中介轴承外圈存在缺陷情况的振动响应。研究了中介轴承振动方根幅值、波形因子、脉冲因子、峰值因子和峭度因子随缺陷大小、径向载荷的变化规律。结果表明:随着缺陷尺寸或径向载荷增大,中介轴承振动方根幅值呈增大趋势。脉冲因子、峰值因子和峭度因子等无量纲参数随着缺陷尺寸增加,先增大后减小。随着径向载荷增加,以上三个无量纲参数呈增大趋势。同时,证明方根幅值、脉冲因子、峰值因子和峭度因子等特征参数对中介轴承外圈故障敏感。     

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.      

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.     

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。     

Morlet复小波频带优化及其在中介轴承故障诊断中的应用

针对中介轴承故障信号特点,提出了一个既能反映信号中冲击成分强弱,又能突出周期性脉冲特征的新的频带优化参数——局部包络谱峰值因子,并应用其对中介轴承故障信号Morlet复小波共振解调频带进行优化。为验证该方法的优越性,搭建双转子实验台开展中介轴承外圈故障及内圈故障模拟实验,采用局部包络谱峰值因子频带优化的Morlet复小波的对采集的试验数据进行分析。以内外圈转速均为600 r/min的中介轴承为例,外圈故障频率的理论值为88 Hz,利用局部包络谱峰值因子频带优化得到的外圈故障频率为8725 Hz。结果表明该指标能够提取出中介轴承故障频率峰值,有效地将故障信息从振动信号中分离出来,实现中介轴承故障诊断。     

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.      

反向旋转双转子稳态响应计算分析与试验

航空发动机采用反向旋转的双转子系统, 有助于减小转子整体陀螺力矩对飞机的影响, 降低机匣负荷, 提高飞机机动性能.分析了一种具有中介轴承的反向旋转双转子结构的稳态响应, 其中介轴承外圈与低压转子联接, 内圈与高压转子联接.针对这种结构, 应用传递矩阵法, 结合边界条件, 分析了反向旋转双转子结构稳态不平衡响应的变化规律, 研究了内、外转子盘轴心轨迹和质心的变化特点, 并进行了相应的试验研究, 验证了计算仿真的相关结论.      

弹性支承下的双半内圈角接触球轴承振动分析

针对弹性支承下的双半内圈角接触球轴承,考虑弹性支承体与轴承外圈、轴承座之间的刚柔耦合特性,建立了弹性支承下的双半内圈角接触球轴承非线性动力学微分方程.采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对非线性动力学微分方程进行求解,并对弹性体支承的双半内圈角接触球轴承振动特性进行了理论分析.分析结果表明:①通过增加支承体过渡沟槽个数可大幅度降低内圈振幅;套筒环厚度对轴承振幅影响相对较小,随着套筒环厚度的增加,内圈振幅先减小后增大;②轴向力较小时,采用过渡沟槽个数多的支承体能够降低振动幅值;轴向力较大时,适当减少过渡沟槽个数,有利于系统稳定;③存在一个最佳的过渡沟槽个数和套筒环厚度,使得轴承径向振动幅值达到最小.      

含中介轴承内圈局部缺陷的双转子系统的组合共振特性

针对航空发动机双转子系统建立简化的动力学模型,在考虑中介轴承非线性Hertz接触力和径向游隙等非线性因素的情况下,将中介轴承内圈局部缺陷模拟成倒置的等腰梯形凹槽,利用4阶Runge-Kutta法进行数值计算,得到系统的分岔图,并着重分析分岔区域的组合共振特性,结果表明：相较于无故障系统,该系统在分岔图上出现三个新的分岔区域,前两个分岔区域是由内圈故障特征频率与高低压转子的转频形成的组合频率诱发的组合共振引起的,第三个是由内圈故障特征频率诱发共振引起的,在分岔区域内,系统运动的周期性的变化规律表现为从近似单周期运动到概周期运动再到近似单周期运动。     

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%.      

用动坐标计算带轴间阻尼器双转子系统的动力特性

简化传递矩阵法用于分析带刚性支承、套齿联轴器、轴间轴承多转子系统的稳态特性非常简便;动坐标系用于分析带定心弹性支承阻尼器的轴对称转子系统则独具优点。本文将两法结合用于分析这类问题比用其它方法简便、省时得多。      

某型航空发动机中介轴承外环故障振动分析

根据某型双转子航空发动机的结构和动力学特点,设计建造了中介轴承实验器.实验中发现中介轴承的外环故障包络谱与内环故障和滚动体故障的包络谱相似,也受周向载荷不均匀分布和传感器相对位置周期性变化的影响.基于此,推导了中介轴承故障特征倍频公式,建立了中介轴承局部故障的理论模型,采用希尔伯特包络检波技术,对外环剥落轴承振动信号进行了分析,结果表明,所建立的中介轴承局部故障理论模型是正确的.      

中介轴承环下流道滑油流动及润滑效率分析

航空发动机主轴轴承（中介轴承）大多采用环下供油方式进行润滑,滑油在环下供油流道中的流动特性影响着轴承润滑效率,为了改善迄今滑油流动分析与喷射-收纳滑油分析相割裂及未考虑环下供油孔与滚动体相对位置变化所产生滑油输出时变性影响的不足,提出了考虑滑油输出时变性影响的喷油-收油与滑油流动集成分析方法。首先,将进入环下供油流道的滑油分解为直接喷入收油孔的滑油和沉积于收油环壁面上并沿周向流入收油孔的滑油,通过计算这两部分滑油流量获得进入环下供油流道的滑油流量;然后,基于环下供油孔和滚动体相对位置变化规律确定供油孔出口的时变边界条件,将其嵌入滑油流动瞬态分析模型,进行模型求解后得到环下供油流道各出口的滑油流量及轴承润滑效率。所提出的滑油流动分析方法较为系统也更符合工程实际,为中介轴承润滑效率的准确计算提供了技术方法和基础数据,有助于中介轴承润滑系统的精确设计。     

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.      

航空发动机轴承外环装配工艺引起的转子系统非线性振动

针对某型航空发动机涡轮后支点轴承外环装配工艺参数的特点,实验研究了轴承外环与衬套配合为过盈配合、间隙配合和过渡配合时的转子振动特性;同时研究了温度场和外环拧紧力矩参数对配合关系的影响而导致的转子振动特性变化.结果表明:轴承外环与衬套为间隙配合时,引起发动机振动出现次谐波、高倍频和1阶非线性共振;外环锁紧螺母力矩增大只对外环是间隙配合时的振动有抑制作用;轴承座的温度场可导致轴承外环与轴承座的过渡配合变为间隙配合,并影响振动特性.     

基于声发射信号信息距的滚动轴承故障诊断

在信息熵理论基础上,提出了一种融合小波能谱与马氏距离的信息距滚动轴承故障诊断方法.利用双转子试验台对滚动轴承内圈故障、外圈故障、滚动体故障、内圈 滚动体故障和内圈 外圈故障进行模拟,并采集其声发射信号.利用提出的信息距方法对获取的声发射信号进行分析,成功实现滚动轴承单一故障和耦合故障诊断.结果表明该方法信息利用率高于信息熵方法,能够清晰和准确地诊断出滚动轴承早期故障,效果明显优于信息熵距的诊断方法.