圆柱滚子轴承打滑机理研究及试验验证

采用模型修正技术修正轴承-转子系统部件的有限元模型;利用ADAMS多体动力学仿真软件建立圆柱滚子轴承-转子系统的刚柔耦合模型;基于此刚柔耦合模型对圆柱滚子轴承进行打滑过程运动仿真,研究转速、径向载荷、游隙以及摩擦因素对轴承打滑率的影响;设计轴承-转子系统试验台,对圆柱滚子轴承进行打滑率测试试验,研究载荷、转速以及游隙对轴承打滑的影响,验证仿真模型的准确性;在此基础上研究轴承运转过程中,多种参数可能造成打滑的边界条件。     

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%.      

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.     

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。      

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。     

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。      

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.     

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。     

轴承共腔-双转子系统耦合振动特性研究

为解决某型涡轴发动机振动超标的问题,针对带有轴承共腔结构的先进民用涡轴发动机转子系统,建立轴承共腔-双转子系统非线性动力学模型,考虑滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性力,实现了耦合振动的交叉频率成分仿真,揭示了轴承共腔-双转子系统耦合振动的机理,并通过了模拟转子试验验证.研究了轴承共腔-双转子系统耦合振动特性及影响因素,...     

同转/对转双转子系统的动力学特性

建立了双转子动力学模型,引入中介轴承刚度和高、低压转子陀螺力矩的影响,利用数值分析和实验验证,揭示了同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应存在的差异,以及转速比对同转/对转双转子临界转速特性和不平衡响应的影响.结果表明:陀螺力矩是影响带有中介支承的双转子系统转子刚度的主要原因,其刚度变化与内、外转子的转速比大小和相对旋转方向有关,进而导致同转/对转双转子系统临界转速特性和不平衡响应发生改变;相比同结构的同转双转子,在相同的不平衡量作用下,对转双转子的不平衡响应更为显著.对转双转子进行动平衡时,应更加严格的控制内、外转子的不平衡量.      

Nonlinear resonance characteristics of a dual-rotor system with a local defect on the inner ring of the inter-shaft bearing

In this paper, the nonlinear resonance characteristics of a dual-rotor system are investigated with the consideration of a local defect on the inter-shaft bearing of the system. A simplified model of the dual-rotor system is proposed by considering that there is a local defect on the inner ring of inter-shaft bearing. The local defect is modelled as an inverted isosceles trapezoidal groove, which can make great influence on the inter-shaft bearing force due to the change of radial clearance of the inter-shaft bearing. The motion equations of the dual-rotor system are formulated by using the Lagrange equation. The Runge-Kutta method is employed to solve the motion equation. The amplitude-frequency response curve of the dual-rotor system is obtained, the abnormal resonance characteristics are analyzed. In addition, the influence of defect parameters, rotors and support parameters and inter-shaft bearing parameters on the amplitude-frequency characteristics of the system are discussed. The results show that there are two main resonance peaks and four abnormal resonance peaks on the amplitude-frequency response curve of the dual-rotor with a local defect on the inner ring of the inter-shaft bearing. Through analyzing the vibration response of the abnormal resonance peaks, it is found that the first two abnormal resonances are caused by the combined resonance, which are related to the inner ring fault and the rotational speed of high or low pressure rotors, and the last two resonances are caused by the induced resonance of the inner ring fault. At the same time, when the parameters of defect, rotors and support and inter-shaft bearing change, the resonance of the system also shows the corresponding change law.     

高维反向旋转双转子系统的建模方法及动力特性

为了弥补有限元方法预测含局部非线性的双转子系统动力特性的不足,借助有限元软件和固定界面模态综合法,建立了高维双转子系统非线性动力学模型,随后利用Newmark算法思想提出了一种隐式时域求解该问题的方法,该方法的求解效率主要取决于非线性力处的自由度个数.在考虑挤压油膜阻尼器非线性力和中介轴承非线性力的基础上,研究了双不平衡激励作用下的反向旋转双转子系统的非线性动力响应特性.研究表明:系统响应中除内、外转子自转频率外,出现了2个自转频率的组合频率;随中介轴承径向游隙的增加,系统转速分岔图中出现了分岔和混沌现象,且临界转速略有下降;系统轴心轨迹呈花瓣状,与试验结果基本吻合.      

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.     

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。     

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.      

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.     

航空发动机中介轴承的动力学减载设计

通过对3种典型的航空发动机中介轴承各30台份的试车数据统计,得到使中介轴承免受“同步冲击”的原则,即:中介轴承内、外环特征频率同风扇叶片气动激振频率的整倍数接近至2%的范围内的情况为危险区域,禁止发动机在此区域长期工作.继而提出了带中介轴承的转子系统优化迭代的动力学设计方法, 通过调整叶片数目或高、低压转子转速比,直至保证危险区域的范围不超过发动机工作范围（从慢车状态至最大状态）的10%.该方法可使中介轴承免受“同步冲击”,有效地降低轴承滚道上的动载荷,提高中介轴承的疲劳寿命.      

考虑中介轴承波纹度的双转子系统的非线性振动

针对考虑中介轴承波纹度的双转子模型,应用转子动力学理论和拉格朗日方程建立系统的运动方程,采用数值方法求得系统的非线性振动响应,并分析了转速、波纹度最大幅值、波纹度波数和波纹度初始幅值对系统动力学行为的影响规律.结果表明:波纹度对高、低压转子动力学行为的影响规律基本一致,随着转速的增加,高、低压转子的运动表现为周期运动与非周期运动交替变化,在较低转速区可能发生概周期及混沌运动.随着波纹度最大幅值的增大,系统可由周期运动演化为周期2运动、概周期运动及周期4运动,表明波纹度最大幅值增大时不利于系统的安全平稳.当波数为滚动体数的整数倍时,系统可能出现概周期及混沌等复杂非周期运动.随着波纹度初始幅值的增大,系统表现为概周期运动与混沌运动交替出现,但波纹度初始幅值相对较大时转子系统的振动幅值相对较小.      

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。