基于MarC的混合陶瓷角接触球轴承的接触分析

基于一典型的混合陶瓷角接触球轴承,着重介绍了通过在Marc平台上如何建立合理的角接触球轴承的有限元分析模型;在对有限元模型的静力分析后,得到了混合陶瓷角接触球轴承的接触应力、应变分布和其他相关的初步有限元分析结果;针对有限元分析得出的结果,与经典弹性力学接触理论结果进行了对比,分析出可能导致两种方法不同计算结果的原因。     

高速角接触球轴承保持架稳定性研究进展

随着中国航空航天和装备制造业的发展,对其中的关键基础零部件滚动轴承的精度、寿命和可靠性提出了更高的要求。高速滚动轴承的动态性能特别是保持架的稳定性问题越来越引起人们的重视,保持架不稳定引起的摩擦力矩波动或保持架断裂是高速滚动轴承主要失效形式之一。本文在课题组已有工作积累和文献资料调研基础上,系统总结了保持架动态特性理论和试验研究进展、保持架稳定性影响因素、稳定性判据和优化准则,分析评述了目前研究中存在的不足,并对今后的研究方向进行了展望,比如保持架稳定涡动的机理,乏油润滑状态下接触副的摩擦磨损特性,润滑剂损失、退化引起的润滑参数的变化以及磨损引起的零件几何参数的变化对保持架动态性能的影响。开发高效、可靠的滚动轴承动力学分析软件,并与产品设计、寿命试验相结合提高轴承产品的质量,以适应中国航空工业发展对高性能滚动轴承的需求,已经成为一项迫切的任务。     

联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性演变规律

基于滚动体与套圈之间相互作用与相对位置关系,考虑离心力、陀螺力矩等非线性因素影响,建立了精密角接触球轴承五自由度拟静力学分析模型,并基于逐步搜索法原理对轴承刚度计算模型进行优化,揭示了复杂联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性的演变规律。研究表明:轴向载荷在一定程度上减小轴承内外圈接触角差值,削弱由于转速增大引起的刚度软化现象;力矩载荷与径向载荷单独作用时,均导致轴承接触角、接触力波动幅度增大,沿载荷作用方向轴承刚度增大,垂直于载荷作用方向刚度减小;联合载荷作用下,力矩载荷能够抑制径向载荷引起的轴承内部载荷波动,提高轴承承载能力与使用寿命。      

角接触球轴承生热预测方法与灵敏度分析

通过拉丁超立方实验设计法获取角接触球轴承NSK-7015C的结构参数样本数据,采用Newton-Raphson法求解轴承变形几何协调方程、滚动体平衡方程和内圈平衡方程所构成的非线性方程组。应用Kriging和Monte Carlo相结合的方法(AK-MCS)构建样本数据与轴承生热的函数关系,在此基础之上使用全局灵敏度计算方法计算轴承结构参数对轴承生热的影响。研究结果表明:在相同轴承结构参数下,采用AK-MCS法预测的轴承生热与轴承拟静力学分析模型求得的结果差值均小于0.003 W,说明AK-MCS算法的预测结果具有较高的准确性;轴承生热对轴承滚动体直径变化反应最灵敏,轴承内、外圈沟道直径影响次之,轴承内、外圈沟道曲率半径影响最小,该研究能够为轴承结构参数的设计优化和加工精度的选择提供理论依据。      

角接触球轴承在高速大载荷工况下滑油中断耐受能力分析

通过研究角接触球轴承断油故障的故障复现现象,发现断油耐受能力不足的初期故障模式为滚动体与内圈之间发生三点接触。使用三点接触分析法对轴承断油耐受能力进行计算,结合相似轴承的计算分析,结果表明:垫片角越大,轴承抗断油能力越差,垫片角为25°的情况下轴承抗断油能力较差。通过断油后轴承的瞬态温度场分析,结合三点接触分析法,确定原设计状态的轴承断油耐受时间为25 s,不具备耐受断油30 s的能力。根据分析的结论,将该轴承的垫片角减小到19°,落实改进措施后的轴承通过了试验器验证和发动机试车验证。      

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.      

高速角接触球轴承喷油润滑雾化分析

以角接触球轴承为研究对象,为分析喷射润滑油液在环间高速气流作用下的雾化情况,建立了轴承环间气液两相流仿真模型,采用FLUENT流体计算软件对高速角接触球轴承进行模拟分析计算,探讨在相同时刻不同转速、不同喷射角度等条件下油液颗粒直径大小的变化,以及在不同时刻索太尔平均直径(SMD)的变化趋势。结果表明：随着润滑油的穿透过程,腔内大粒径油液所占比例逐渐减少,小粒径比例增高;随着转速的增大,进入腔内油量也会随之减少,受环间气流涡的影响,迅速使油液液滴发生碎裂,使雾化加剧,颗粒直径减小,则会使SMD减小,不利于轴承的润滑;不同喷射角度条件下,15°的喷射角度轴承腔内的大粒径占比较大。     

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.      

套圈变形诱发的薄壁角接触球轴承摩擦特性

针对薄壁轴承在制造、安装过程中套圈变形引起的轴承摩擦力矩变化机理不明的问题,基于滚动轴承动力学理论,构建了计入套圈变形时变表征的薄壁角接触球轴承动力学分析模型与摩擦力矩数学模型,研究了套圈沟曲率半径、变形相位角、半幅值及工况条件对轴承摩擦特性的影响规律。结果表明：沟曲率半径系数对轴承摩擦力矩的影响随转速临界值变化而发生改变,该转速值在计入套圈变形时较理想套圈会出现超前或滞后。优化配置套圈变形相位角可降低变形对摩擦力矩的作用。载荷比会影响形成轴承摩擦力矩最小的套圈变形相位角,其对套圈两瓣波相位角变化的影响小于三瓣波变形。合理控制套圈变形半振幅可降低对轴承摩擦力矩波动性的影响。     

双层滚珠轴承力学特性分析

基于拟动力学原理,在考虑轴承所承受的径向载荷、轴向载荷、滚珠自身离心力以及陀螺力矩联合载荷作用的影响下,建立双层滚珠轴承在高速及载荷作用下的力学模型,通过MATLAB编程仿真,分析不同载荷参数和结构参数对轴承力学特性的影响,并对计算方法进行了实验验证.研究结果表明:内外两节径关系直接影响到内圈和中圈之间的转速分配关系;径向载荷和轴向载荷对接触角的变化影响较大,直接关系到滚珠轴承的失效情况;工作转速、滚珠的材料、轴向预紧力以及滚珠初始接触角等对轴承的刚度影响较大.研究结果为双层滚珠轴承的设计和应用提供一定的理论依据.      

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.      

基于拟动力学的航空发动机主轴球轴承热弹流润滑分析

以航空发动机主轴球轴承高速高温重载典型工况为算例,基于轴承拟动力学分析,得到滚动体与套圈之间的微接触区运动和受力状态,分别用Hamrock-Dowson(H-D)拟合公式和翟文杰热修正公式计算了最小膜厚(MFT),同时结合热弹流润滑分析得到最小膜厚分布,对比了试验测试、H-D拟合、翟文杰热修正和热弹流润滑分析4种算法的最小膜厚,并根据膜厚比判定了轴承的弹流润滑状态.结果表明:H-D拟合和翟文杰热修正最小膜厚与试验测试结果相差较远,热弹流润滑分析结果与试验数据吻合性较好,误差10%以内;探讨了不同工况下的轴承弹流润滑性能.结果表明:存在径向载荷时,润滑膜整体压力增大,膜厚减小;随着转速增大,压力减小,膜厚增大,但是增大的趋势减缓.      

考虑保持架间隙碰撞的球轴承-机构系统动力学分析

基于套圈滚道圆环的几何结构方程,建立了钢球和套圈的三维动态接触关系.考虑钢球和保持架的间隙碰撞作用,建立球轴承-曲柄滑块机构系统多体接触动力学模型.运用广义-α方法计算分析了不同转速、径向游隙和保持架兜孔半径间隙下球轴承-机构系统的运动精度和动力学特性,获得球轴承-机构系统的动态误差、套圈中心的相对运动轨迹、保持架中心的运动轨迹和动态作用力等动力学响应.计算结果表明:随着转速和球轴承径向游隙的增加,约束反力、系统动态误差、套圈中心的相对运动轨迹、保持架与套圈中心的相对运动轨迹、球轴承内部的作用力、钢球与保持架的间隙碰撞力均增加.随着保持架兜孔半径间隙的增加,保持架与套圈中心的相对运动轨迹、钢球与保持架的间隙碰撞力和钢球打滑均增加.      

球轴承内圈剥落缺陷双冲击特征动力学建模

基于Hertz接触理论,以内圈滚道表面存在局部剥落的球轴承为研究对象,对球轴承局部剥落故障所激起的非线性激励机理进行研究,分析球轴承双冲击现象激励机理。将滚动体与球轴承内外圈非线性接触特性纳入考虑,提出时变位移激励与时变接触力激励相耦合的球轴承局部剥落双冲击现象动力学模型。研究中采用Runge-Kutta数值积分法求解该二阶非线性动力学微分方程,并对故障球轴承仿真信号进行双冲击时间间隔特征验证。在不同转速和内圈剥落尺寸条件下开展仿真与实验研究,通过仿真和实测信号的双冲击时间间隔与理论双冲击时间间隔对比分析,仿真信号的双冲击时间间隔与理论值对比的误差结果皆小于2%,与实测信号的双冲击时间间隔值对比的误差结果皆小于12%;同时,仿真信号与实测信号具有很好的相似性,从而验证了该动力学模型的有效性。      

油润滑弹性支撑多叶箔片轴承静态特性

以提高箔片轴承承载力为目的,提出了一种带有弹性支撑结构的多叶箔片轴承.基于柔度矩阵理论计算了箔片变形量,并与有限元分析软件的仿真结果进行了对比,以验证其准确性;建立了油膜厚度与箔片变形量关系的表达式,仿真研究了该箔片轴承的静态特性,并与无支撑结构的多叶箔片轴承进行对比分析;建立了油润滑箔片轴承静态特性实验台,实验测量油润滑弹性支撑多叶箔片轴承的承载力.结果表明:弹性支撑多叶箔片轴承的承载力大于没有支撑结构的轴承,在30000r/min时承载力提高达109%;轴承转速越高,承载力增加越明显.实验得到的承载力与理论计算值相差2.7%,吻合较好.      

气动优化设计中的遗传算法研究

建立以实数编码技术为基础的多种遗传算法模型，利用这些模型来研究复制、重组和变异三种基本的遗传操作对气动优化设计的优化质量和效率产生的影响，在此基础上研究群体规模、最大进化代数和遗传概率等遗传控制参数对优化质量和优化效率的影响，期望对应用遗传算法的气动优化设计提供一些有益的参考。