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.     

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.     

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。      

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。     

高速圆柱滚子轴承工作温度研究

将滚子与套圈滚道摩擦生热视为移动热源,建立了高速圆柱滚子轴承温度场计算模型;使用ANSYS的APDL语言发展了轴承工作温度分析的参数化程序,输入热流密度等边界条件,程序能够自动建模精确的分析高速圆柱滚子轴承工作温度.以一个型号轴承为例,分析了不同工况参数对轴承工作温度的影响,结果显示轴承内圈转速、径向载荷和润滑油入口油温对轴承工作温度影响显著.      

薄壁交叉圆柱滚子轴承最佳径向工作游隙

以型号为RA8008UUCC0对数修形的薄壁交叉圆柱滚子轴承为分析对象,借助RomaxDesigner软件对比分析在联合载荷作用下径向工作游隙对承载滚子数、滚子最大载荷、滚道应力分布、轴承刚度、最小油膜厚度和疲劳寿命的影响情况,得出径向工作游隙是影响轴承力学性能的关键因素,结果表明:轴承受载滚子数随游隙的减小而增多,滚子与滚道接触应力分布趋于均匀化,相同条件下,倾覆力矩的影响比较显著。联合载荷作用下,随着工作游隙的减小,轴承刚度增大。当径向工作游隙小于-0.002mm时,随着径向工作游隙绝对值的增大,滚子与滚道接触变形减小,接触应力增大,刚度增大,最小油膜厚度减小,轴承寿命降低。同一径向工作游隙下,倾覆力矩可以减小滚子与轴承内外圈之间的油膜厚度,从而显著降低轴承疲劳寿命,轴承最佳径向工作游隙范围为-0.004~0mm。     

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。     

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.      

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。      

不同工况下高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性分析

根据建立的高速角接触球轴承-刚性转子系统动力学数值仿真模型,以某仪表轴承支承的转子系统为算例,分析了考虑转子振动与否对系统动力学性能的影响,并详细探究了轴向载荷以及转速对转子振动、轴承内部载荷分布及旋滚比、保持架的受力和质心运动以及磨损情况的影响.结果表明:考虑转子振动时,在纯轴向载荷下,轴承各位置处的球载荷也会存在差...     

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.      

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.      

Nonlinear Dynamics Behaviors of a Rotor Roller Bearing System with Radial Clearances and Waviness Considered

A rotor system supported by roller beatings displays very complicated nonlinear behaviors due to nonlinear Hertzian contact forces, radial clearances and bearing waviness. This paper presents nonlinear bearing forces of a roller bearing under four-dimensional loads and establishes 4-DOF dynamics equations of a rotor roller bearing system. The methods of Newmark-β and of Newton-Laphson are used to solve the nonlinear equations. The dynamics behaviors of a rigid rotor system are studied through the bifurcation, the Poincar è maps, the spectrum diagrams and the axis orbit of responses of the system. The results show that the system is liable to undergo instability caused by the quasi-periodic bifurcation, the periodic-doubling bifurcation and chaos routes as the rotational speed increases. Clearances, outer race waviness, inner race waviness, roller waviness, damping, radial forces and unbalanced forces-all these bring a significant influence to bear on the system stability. As the clearance increases, the dynamics behaviors become complicated with the number and the scale of instable regions becoming larger. The vibration frequencies induced by the roller bearing waviness and the orders of the waviness might cause severe vibrations. The system is able to eliminate non-periodic vibration by reasonable choice and optimization of the parameters.     

高速滚子轴承运动特性的动态模拟

在高速轻载的工况下 ,滚子轴承的打滑蹭伤及由于滚子歪斜引起的滚子端面磨损已成为滚子轴承的主要失效原因。本文根据牛顿运动定律 ,建立了滚子的动力学模型 ,并对滚子轴承径向载荷分布和油膜拖动力的计算进行了详细讨论。利用本文所编制的软件 ,对滚子和保持架的打滑以及滚子的歪斜运动进行了动态模拟 ,得到与实际相符的结果 ,可用为实际轴承设计。     

计及芯轴变形的轴连轴承载荷分布和刚度计算

因轴连轴承高承载能力和长寿命的性能指标要求,提出三列滚动体混合式结构,通过两端圆柱滚子线接触形式提高轴承整体承载能力。为考核新型轴连轴承承载性能,基于柔性梁理论引入芯轴挠曲变形的影响,采用滚动轴承设计方法,建立新型轴连轴承力学分析模型,在此基础上研究了外载大小、外载位置和游隙因素对轴承载荷分布和刚度的影响。载荷分析表明:径向载荷增加,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩增加,各滚动列最大接触载荷增大;载荷作用距离减小,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩减小,各滚动体列的承载载荷明显下降;滚子列径向游隙的增加,各滚动体列的最大接触载荷增大,承载区域减小,载荷分布均匀性下降。刚度分析表明随着径向载荷增大,各滚动体列主刚度明显上升,而载荷作用距离减小和滚子列径向游隙增加,会造成各滚动体列主刚度一定程度下降。      

金属膜盘联轴器用关节轴承磨损特性研究

为研究金属膜盘联轴器用关节轴承的磨损特性,对某型关节轴承在金属膜盘联轴器工作环境进行了分析,计算了其在最大载荷条件下的PV值,并分别开展了低速摆动轴向重载磨损试验、高速摆动轴向无载磨损试验和发动机真实工况磨损试验。结果表明:金属膜盘联轴器用关节轴承的工作环境属于高速旋转和高速摆动、轴向重载和径向无载,关节轴承的磨损量与其所承受的轴向载荷与摆动线速度直接相关。     

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。     

斜面兜孔圆柱滚子轴承的高速防打滑特性

为解决航空发动机主轴圆柱滚子轴承的打滑问题,提出一种具有斜面兜孔结构的圆柱滚子轴承,并对其高速防打滑特性展开研究。利用Hertz接触理论及弹流润滑、流体动力润滑的经验公式,建立了滚子-内外套圈滚道、兜孔-滚子、保持架-外圈引导面的接触模型。运用多体运动学及牛顿-欧拉动力学理论,建立了轴承径向平面内的三自由度动力学模型,在此基础上,利用龙格库塔数值积分法进行了轴承的动力学数值仿真,探讨了兜孔前后壁倾角对轴承打滑的影响规律,分析了兜孔前壁倾角为5°、后壁倾角为10°下轴承的高速打滑特性,结果表明：兜孔的前后壁倾角对轴承打滑有显著影响,通过对其进行优化,可有效抑制轴承的高速打滑。     

箔片气体轴承静态特性和温度特性实验

建立箔片气体径向轴承静态特性和温度特性测试实验台,通过变载荷和变转速两种实验方式对轴承起飞转速、摩擦阻力矩和轴承温升进行测量,研究分析轴承静态特性、温度特性与载荷、转速之间的关系.实验结果表明:在启停阶段,由于没有形成气膜,箔片气体轴承的摩擦阻力矩会出现较大的峰值,但当达到某一特定转速（起飞转速）后,摩擦阻力矩会迅速下降到某一极小值,并且起飞后的稳态轴承转矩会随载荷和转速的增大而增加.稳定状态下的轴承温度会稳定在某一值且相对于室温的温升极小,而且随着转速、载荷的增加近似于线性增大.      

高速滚子轴承的动力学分析

根据流体和弹流润滑理论,建立了滚子轴承各元件间的相互作用模型;并根据牛顿运动定律,建立了滚子轴承动力学模型,编制了相应的软件。可以计算各元件之间的载荷分布、油膜厚度,并能对滚子和保持架的打滑、滚子的歪斜和轴向窜动等运动特性进行动态模拟,从而为高速滚子轴承的设计计算和故障分析提供了一种新的有效工具。