外圈滚道剥离故障对滚动轴承动力学响应的影响分析

为了探究高速列车轴箱轴承在外圈滚道产生剥离故障后内部元件的动力学响应规律,采用三维建模软件Solidworks和多体动力学分析软件ADAMS建立了轴承动力学模型。模型考虑了材料属性、约束、载荷和接触关系等因素,模拟了外圈滚道多个位置处的剥离故障。采用高速列车轴承综合试验台对轴箱轴承进行动力学试验,并与仿真结果对比,验证了模型的有效性。通过分析不同故障位置的轴承动力学仿真结果,研究了滚子、保持架的动态响应变化规律。研究发现：当滚子质心的径向运动轨迹呈现“正弦”状时,不随外圈滚道损伤位置的不同而变化;当外圈滚道损伤位于3点钟和9点钟位置时,保持架质心的径向运动轨迹无规律可循;当外圈滚道损伤位于6点钟位置时,保持架质心的径向运动轨迹呈现近似“正弦”状,滚子和保持架质心的波动量最小,滚子和内圈、外圈滚道间的接触力最大;当外圈滚道损伤位于12点钟位置时,保持架质心的径向运动轨迹呈现近似“正弦”状,滚子和保持架质心的波动量最大,滚子和内圈、外圈滚道间的接触力最小。研究结果对认识轴承发生外圈故障时内部元件间的运动规律、轴承运行维护和振动数据的采集提供了一定的借鉴意义。     

变工况下角接触球轴承保持架稳定性分析

复杂变工况条件下旋转机械系统中滚动轴承表现出复杂的动力学特性,更容易产生故障或破坏;考虑间隙碰摩、润滑拖动作用和多体动态接触关系,探索了变工况下球轴承多体接触动力学特性。基于套圈滚道圆环的几何结构方程,建立并实现了运转状态下钢球和套圈的三维接触力学模型和动态接触力的预测搜索算法;考虑钢球和保持架的三维动态间隙碰摩和润滑拖动作用,保持架和引导套圈的等效短滑动轴承的润滑拖动作用,建立球轴承多体接触动力学模型;运用广义-α方法计算分析了变工况下角接触球轴承的动力学特性和保持架运动稳定性,获得变预紧量、变速度、变载荷等工况下球轴承的三维空间运动轨迹、动态作用力、振动加速度及频谱等动力学响应。计算结果表明:内外圈均旋转时,由于启动加速过程中的速度和载荷冲击作用,球轴承存在较大的作用力和振动位移,稳定后的主振频率是自由旋转套圈的转速频率;预紧量的增加,保持架的振动位移仅在内圈受固定径向力作用时明显减小;旋转径向力作用时保持架中心的运动轨迹是近似圆柱面的涡动运动规律。     

高速列车轴箱圆柱滚子轴承启动过程的打滑动力学特性

轴箱轴承的动力学性能对列车安全、平稳运行有非常重要的影响。基于刚性套圈假设建立轴承内部变形几何关系,采用Hertz接触理论描述滚子与套圈的接触关系,采用线性压缩弹簧来模拟滚子与保持架之间的相互作用,考虑拖动系数随滑移速度的非线性关系计算滚子与套圈的摩擦力,建立考虑内圈、滚子和保持架自由度的圆柱滚子轴承的动力学模型,研究轴承启动过程中的运动学特性和力学特性。结果表明:在轴承启动过程中,滚子自转转速抖动上升;启动初始阶段滚子打滑明显,其中滚子在刚进入承载区时出现的打滑对轴承性能影响较大;轴承启动的初始阶段,滚子与内圈的摩擦力和与保持架的接触力变化剧烈,且随内圈角加速度的增大而增大。     

高速圆柱滚子轴承保持架振动特性研究

基于滚动轴承动力学理论,建立了高速圆柱滚子轴承的动力学非线性微分方程组。采用预估-校正的Gear stiff(GSTIFF)变步长积分算法进行求解,分析了轴承工况参数与结构参数对轴承保持架振动特性的影响。研究结果表明:保持架在径向平面内的振动随着径向载荷的增加而减小,振动频谱中f_c,2f_c,3f_c对应的幅值随径向载荷的增加而减小,其5f_c及更高倍频处的幅值显著降低,甚至消失,而径向载荷对4f_c处幅值的影响较为复杂;随着轴承转速的增加,保持架在径向平面内的振动随之增加;随着轴承径向游隙的增加,保持架径向平面内的振动先迅速增加后缓慢增加;过大或者过小的保持架引导间隙和兜孔周向间隙都会增加保持架的振动,存在一个最佳的保持架引导间隙和兜孔周向间隙范围能够有效的降低保持架的振动。     

球轴承柔性多体动力学分析与接触振动研究

结合有限元法和柔性多体动力学方法,提出球轴承柔性多体接触动力学模型和动力学分析方法。综合考虑钢球与内外圈滚道的游隙、柔性多体接触、套圈弹性变形、摩擦、离心力和转速等关键因素,建立球轴承的柔性多体接触动力学模型。研究了球轴承的柔性多体动力学特性和接触振动响应,计算出球轴承钢球公转一周时的接触力变化、套圈中心的相对振动位移、加速度、套圈弹性变形、截面接触应力和径向接触应力等接触振动响应,揭示了球轴承的支承钢球数目奇偶交替时的变柔性接触振动本质。提出的球轴承动力学模型与计算结果为以系统振动为目标的球轴承动态设计和球轴承系统设计提供理论指导和参考数据。     

对转圆柱滚子轴承动态特性分析

针对内外圈对转圆柱滚子轴承内部复杂的运动特性及相互作用力,通过分析轴承径向游隙的影响因素以及考虑滚子与滚道的接触变形和热效应对油膜厚度的影响,利用拟静力学法建立了轴承的分析模型,并采用NewtonRaphson法进行求解;同时,利用该模型对滚子打滑率进行计算,以验证所采用分析方法的正确性和可靠性。然后,进一步探讨了不同工况下对转圆柱滚子轴承内部组件的转速变化规律与接触特性。结果表明：滚子的自转转速、滚子与滚道的接触载荷均随径向载荷的增大而增大;内、外圈转速变化会使受载区滚子与滚道的接触载荷以一定的规律重新分配,且转速对最小油膜厚度的影响较径向载荷更为明显。研究结果可为对转圆柱滚子轴承的结构优化和生热机理分析提供理论依据。     

考虑刚性转子非线性振动的圆柱滚子轴承动态特性研究

圆柱滚子轴承支承的转子系统由于赫兹接触力会使系统产生复杂的非线性振动,考虑圆柱滚子轴承的四个自由度推导了非线性轴承力,在此基础上建立了滚子轴承-刚性转子系统的四自由度非线性振动方程,使用Newmark-β法和Newton-Laphson法求解方程。给出了考虑刚性转子非线性振动计算滚子轴承动态特性的方法,分析了非线性振动对滚子轴承动态性能的影响,在滚子轴承转子实验台上测试了轴承的动态性能。结果表明,在转子系统的非周期振动范围,滚子轴承的保持架打滑率、刚度等动态特性会出现较大的变化,可能会引起轴承失效。考虑转子系统非线性振动,使得滚子轴承动态特性的预测结果准确度有较大提高。     

考虑轴承故障高速列车齿轮传动系统振动响应分析

齿轮传动系统在高速列车运行过程中起着连接和动力传递的关键作用,齿轮传动系统中的滚动轴承长期处于高速运行状况,易于出现故障。为研究轴承出现故障后高速列车齿轮传动系统的振动响应,基于Hertz 接触理论,考虑齿轮传动系统输入轴上圆柱滚子轴承内圈滚道上的剥离故障,利用三维建模软件SolidWorks 和动力学软件Recur-Dyn分别建立正常工况和故障工况下的齿轮传动系统动力学模型。通过仿真分析可以发现：故障工况下,输入轴上轴承滚子的角速度会出现周期性突变,输出轴上从动齿轮的角速度变化剧烈,而轴承滚子的角速度几乎不变;输入轴上包括主动齿轮在内的所有零件振动加速度明显增大,并且输出轴上零件的振动加速度也有所增大;主动齿轮和从动齿轮齿面接触力增大;输入轴上轴承滚子与内圈会瞬时脱离,影响轴承的稳定运行。研究结果可为高速列车齿轮传动系统中轴承故障的诊断、预防提供参考数据。     

印刷机偏心滚子轴承接触应力与变形仿真分析

目的对偏心轴承接触应力与滚子静、动态变形进行研究,得到接触应力与变形和结构与工况因素的关系。方法在Hertz线接触与弹流润滑理论下,建立滚子接触应力模型及静、动态滚子间接触变形的关系模型,利用有限元软件Ansys仿真计算。建立静、动(润滑与转速)态下滚子变形之间的关系公式,分析印刷机偏心双列圆柱滚子轴承的接触应力与变形及相互关系。结果滚子与内外套圈的接触应力均随径向载荷的增大而增大,滚子与内套圈的接触应力大于滚子与外套圈的接触应力;滚子的总接触变形量与径向载荷呈正比关系,滚子的内外接触应力与滚子的总接触变形量也呈正比关系;滚子的边缘出现应力集中,须用设计凸度的方法降低,从而更好地提高偏心轴承的整体性能。结论根据接触应力与变形的关系,可为偏心轴承的设计与优化提供理论依据。     

外圈滚道损伤位置对高速列车轴箱轴承动力学行为的影响分析

为了探究轴承产生故障时其内部元件间的运动规律,以高速列车轴箱轴承为研究对象,采用多体动力学分析软件 ADAMS 建立了外圈滚道剥离故障的轴承动力学模型。模型综合考虑了材料属性、约束、载荷和接触关系等因素,通过铁路轴承综合实验台对试验轴承进行动力学实验并对比部件转速,验证了模型的有效性。通过对外圈滚道不同损伤位置处的轴承进行动力学仿真分析发现：轴承有故障时,滚子与滚道间相邻两接触点的时间间隔变大;轴承故障的存在会加大滚子与滚道间的接触力,进而加剧轴承滚道的损坏;损伤位置位于 6 点钟时,对滚子打滑起到了抑制作用,滚子打滑率的增大会加剧滚道表面的不均匀擦伤;轴承转速越大,保持架运行越平稳,损伤位置位于12 点钟时,对保持架的平稳运行影响不大。研究结果对推动轴承设计和故障诊断技术发展具有一定的理论和实际意义。     

基于双盘直槽研磨的圆柱滚子自转运动研究

为了解决双盘直槽研磨方法实施过程中的关键技术问题,针对圆柱滚子在研磨状态下的自转运动展开相关研究。首先,对圆柱滚子在研磨状态下的自转运动进行理论分析,得到了其稳定自转的条件。然后,基于ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）软件建立了圆柱滚子自转运动的动力学仿真模型,并以圆柱滚子与上、下研磨盘间的摩擦系数,下研磨盘V形槽半角,单个圆柱滚子所受研磨载荷及上、下研磨盘相对运动线速度为主要影响因素,以圆柱滚子的相对滑动率为评价指标,进行了计及因素间交互作用的正交试验。通过响应均值分析与方差分析,得到了可实现圆柱滚子稳定且连续自转的最优参数组合。最后,在自主设计的圆柱滚子自转运动试验平台上对最优参数组合的正确性进行了验证试验。试验结果表明,最优参数组合下圆柱滚子自转时的平均相对滑动率仅为0.30%,能够实现稳定且连续的自转,这充分证明了通过理论分析与正交试验得到的最优参数组合的正确性。研究结果证实了基于双盘直槽研磨的圆柱滚子自转运动的合理可行域,其对双盘直槽研磨方法的工程实践具有指导意义,为提高圆柱滚子批直径尺寸一致性奠定了基础。     

考虑三维圆柱铰间隙碰撞的空间机构柔性多体动力学分析方法

三维圆柱铰的动态性能对空间机构的运动精度和动力学特性有着重要的影响。基于多体动力学方法和刚体有限元方法,提出考虑三维圆柱铰的间隙碰撞和动态接触作用的空间机构柔性多体接触动力学方法。采用圆柱-圆柱的线接触力学模型和切片法,计算圆柱-圆柱的接触变形量和接触力,建立三维圆柱铰的轴销与轴套之间的间隙碰撞作用和三维动态接触关系。以等效刚体单元和Timoshenko梁单元描述柔性杆件的刚性有限元模型,建立柔性连杆和三维圆柱铰的具有多刚体系统的统一形式的动力学方程。计算分析了含三维圆柱铰的空间机构的运动精度和动力学特性,获得空间机构的位移响应,三维圆柱铰的相对运动轨迹和动态作用力等动力学响应。采用三维圆柱-圆柱动态线接触方法,能有效地预测空间机构系统的三维圆柱铰持续接触、间隙碰撞状态和摩擦作用下的动力学特性。计算结果表明三维圆柱铰的间隙碰撞作用对空间机构的运动精度和动态特性的影响较为显著。动力学模型和计算结果对复杂工况下高精度多间隙的空间机构的动态设计和动力学研究具有重要的理论意义。     

薄壁圆柱壳构件受迫振动的响应特征研究

针对固支-自由约束条件下受径向谐波激励或径向冲击激励的薄壁圆柱壳构件,开展其受迫振动下的响应特征分析。首先基于Love壳体理论建立了薄壁圆柱壳构件的动力学模型,然后,根据固支-自由约束条件特点,采用轴向梁函数和周向三角函数组合的振型函数以及振型叠加法,获得了考虑粘性阻尼的薄壁圆柱壳模态坐标振动方程,进而求解受径向谐波激励或冲击激励的振动响应。通过一个具体算例,进行了不同位置上的响应幅度与相位的变化分析,并对比了模态阻尼比和激励力幅值对响应幅值的影响。     

Computational model for determination of dynamic load capacity of large three-row roller slewing bearings

In the presented paper a calculation procedure for determination of dynamic load capacity of large three-row roller slewing bearings is presented. The calculation procedure consists of three main parts: (i) determination of internal contact force distribution in a large three-row roller slewing bearing with consideration of bearing clearances and ring support deformations, (ii) determination of stress field in the contact area between raceway and rollers as a consequence of contact forces and (iii) determination of the bearing’s fatigue life due to contact fatigue of the raceway. The internal contact force distribution is determined numerically by using a symmetry 3D FEM-model of a large three-row roller slewing bearing. Another numerical procedure is used to determine the stress field in the contact area between rollers and raceway. This problem is studied on different roller types: cylindrical roller (without profile correction), fully crowned roller (logarithmic-profile) and partially crowned roller (ZB-profile). Numerically determined contact stresses then serve as a basis for fatigue analyses, where the bearing’s service life of the bearing is determined by using the stress-life approach, considering typical material parameters of the bearing’s raceway.     

大变形复合材料薄板多体系统动力学建模

本文对大变形复合材料薄板的多体系统动力学建模方法进行研究。基于Kirchhoff假设,法线与中面保持垂直,从格林应变的表达式出发,建立了面内应变和曲率与绝对位置坐标和斜率的关系,在此基础上推导了广义弹性力阵和弹性力阵对广义坐标的导数阵,用绝对节点坐标方法建立了大变形复合材料薄板多体系统的动力学方程,用广义法和和牛顿迭代法求解微分-代数混合方程。对外载荷作用下的复合材料薄板进行数值仿真,通过与ANSYS的仿真结果进行对比,验证了本文建模方法的准确性和快速收敛性。最后,将建模方法应用于复合材料太阳帆板展开机构的数值仿真,分析了不同铺层情况下驱动力和约束力的振动特性。     

深沟球轴承运转过程动态特性有限元分析

综合考虑轴承径向载荷及转速的影响,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了深沟球轴承多体动力接触有限元模型;以显式动力学有限元法为基础,采用全积分单元算法控制沙漏,设置质量缩放系数缩减计算时间,对内圈施加不同转速时的深沟球轴承进行动力接触分析,得出了深沟球轴承运转过程的动态响应及滚动体的应力分布。滚动体的最大和最小线速度分别出现在与内、外圈接触点上,各转速下滚动体与内圈接触的应力基本相同,滚动体与外圈接触的应力随转速增高而相应增大,滚动体与外圈间接触力的波动大于内圈,而滚动体与保持架间的作用力较小。研究表明,ANSYS/LS-DYNA是分析轴承运转过程动力接触问题十分有效的工具。     

一类非线性相对转动系统的动力学行为及其机理分析

研究了一类具有非线性刚度的相对转动系统的动力学行为。应用Routh-Hurwitz稳定性理论判断了相对转动系统平衡点的稳定性。应用分岔理论研究了平衡点失稳时的分岔行为,推导了平衡点产生fold分岔的条件,进而通过仿真得到了平衡点在双参数平面上的分岔集及单参数分岔曲线,研究了不同参数区域内平衡点的个数以及稳定性问题。应用分岔图研究了相对转动系统随平方非线性刚度系数及激励角频率变化的全局动力学行为,获得了周期三以及混沌等动力学行为。通过调整平方非线性刚度系数得到了慢变外激励下相对转动系统中的对称式和不对称式fold/fold簇发行为。     

基于扭转强迫振动风洞试验的矩形截面高层建筑三维风荷载研究

为了研究扭转振动对高层建筑三维气动力的影响,利用扭转强迫振动装置,通过多点测压风洞试验测试了三个矩形截面高层建筑模型在不同试验风速和不同扭转振幅情况的表面风压时程。进而讨论了结构顺风向、横风向和扭转向均方根风力系数及功率谱的变化规律,研究结果表明：结构顺风向、横风向和扭转向均方根风力系数均随着试验风速和扭转振幅的变化而变化;结构顺风向阻力系数随着扭转振动振幅的变化主要是由于结构顺风向气动力的变化引起,而其横风向和扭转向风力系数随着扭转振动的变化包含了气动力变化与结构气动弹性效应两部分。对于高层建筑来说,应考虑扭转振动引起的结构三维气动力的变化以及结构横风向和扭转向气弹效应。