滚动轴承刚柔多体接触动力学分析

以柔性多体动力学理论为基础,提出了以相对坐标描述刚柔多体接触滚动轴承的递推数值分析方法.以球轴承为例,研究了滚动轴承刚柔多体接触输出响应的动态特性.综合考虑滚动体与轴承内外圈滚道的时变接触刚度、柔性接触、摩擦、离心力等非线性因素,分析出转速、摩擦力和预紧力对滚动轴承的时变接触力和时变振动位移的影响.结果表明,以相对坐标描述刚柔多体接触滚动轴承的动力学模型,可以有效地解决滚动体与滚道间的时变接触振动响应和柔性接触等非线性接触动力学问题.     

滚动轴承刚柔多体接触动力学分析

以柔性多体动力学理论为基础,提出了以相对坐标描述刚柔多体接触滚动轴承的递推数值分析方法。以球轴承为例,研究了滚动轴承刚柔多体接触输出响应的动态特性。综合考虑滚动体与轴承内外圈滚道的时变接触刚度、柔性接触、摩擦、离心力等非线性因素,分析出转速、摩擦力和预紧力对滚动轴承的时变接触力和时变振动位移的影响。结果表明,以相对坐标描述刚柔多体接触滚动轴承的动力学模型,可以有效地解决滚动体与滚道间的时变接触振动响应和柔性接触等非线性接触动力学问题。     

振动机械滚动轴承的故障尺寸量化研究

针对振动机械滚动轴承故障尺寸量化的问题,通过对振动机械滚动轴承故障特征的分析,基于Hertz接触理论考虑局部单一故障尺寸对接触变形的影响,引入载荷分布区,建立振动机械滚动轴承外环单一局部损伤故障双冲击现象动力学模型.根据此模型进行仿真并在圆振动筛上对两组不同缺陷尺寸的轴承进行了实验研究.结果表明,因滚动体滚过缺陷而产生的双冲击信号,依据双冲击信号的时间间隔对轴承故障宽度尺寸进行量化,平均准确率达96％以上,验证了模型的正确性及此方法应用于振动机械滚动轴承故障尺寸量化的可行性.     

高速滚动轴承-转子系统时变轴承刚度及振动响应分析

高速滚动轴承广泛应用于机床主轴、航空发动机等转子系统中。在复杂运行工况下,滚动轴承的刚度表现出强烈的时变特性和非线性特性,往往是系统非线性的主要根源。考虑离心力、陀螺力矩、轴承内圈离心膨胀和热变形等因素,建立高速滚动轴承力学模型,计算轴承的时变刚度。将滚动轴承非线性模型与转子有限元模型集成,建立滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。以FAG角接触球轴承(HCB7012E)为例,分别计算静载荷作用下的内外圈轴向、径向相对位移,并与舍弗勒轴承分析软件BearinX?的计算结果进行比较,验证了模型对静态位移仿真的精度。在不同轴承预紧状态下,仿真滚动轴承-转子系统在不平衡激励下的振动响应,并与试验结果比较,验证了模型仿真系统动态响应的精度。利用一个背对背安装的角接触球轴承-转子系统,研究在静载荷、不平衡载荷激励作用下滚动轴承刚度的变化规律,并计算时变轴承刚度作用下转子的时域振动响应及频域特征,为高速滚动轴承-转子系统设计、动力学分析与故障诊断提供依据。     

考虑局部故障边缘形态的球轴承振动特征

在分析球与不同边缘形态的局部故障之间接触关系的基础上,根据赫兹接触理论建立了球与局部故障光滑圆柱型边缘之间的接触刚度模型,以及球进入故障区域时的时变位移激励模型。考虑弹性流体动力润滑油膜的影响,提出时变冲击激励耦合的球轴承圆弧边缘型局部故障动力学模型。该模型考虑了故障边缘形态特征变化引起的球进入故障时的时变额外位移激励,以及球与故障边缘之间的时变接触刚度。研究滚道表面圆弧型边缘型局部故障激励下的球轴承振动响应特征,并分析故障边缘形态变化对球轴承振动响应特征的影响规律,解决了尖锐边缘型局部故障模型无法描述其边缘形态变化的问题,为获得可靠的局部故障球轴承的动力学响应特征提供新的手段和方法,也为球轴承局部故障的准确识别与定量诊断提供一定的理论依据。     

不同故障程度下的滚动轴承内部接触动态特性分析

滚动轴承的故障所导致的内部接触状态的变化是滚动轴承振动特性发生改变的重要原因。根据故障与滚动体可能出现的接触形式,考虑故障演化过程中的不同故障大小,建立了圆柱滚子轴承存在不同程度故障时的多体接触动力学有限元模型,并通过滚动轴承外圈故障实验验证了模型的有效性。基于显式动力学法对滚动体与各组件间的动态接触力及故障区域的接触应变进行分析,揭示了不同故障程度对轴承内部接触动态特性的影响规律及故障情况下接触变形的变化规律。研究结果表明:滚动体在越障期间与各组件的接触力减小,随着故障程度的加剧,轴承内部接触力波动越发剧烈,但接触应变的波动频率和幅值降低;故障轴承滚动体在承载区与保持架兜孔两侧均会接触,使接触力出现负值;故障趋向于沿着滚动体滚动方向扩展。研究结论可为滚动轴承故障诊断及残余寿命预测提供理论依据。     

考虑游隙的滚动轴承刚度模型及其时变特性分析

为了研究滚动轴承时变刚度对精密机床主轴回转精度的影响规律,在考虑游隙的条件下,建立滚动轴承的时变刚度模型,并提出采用平均刚度和刚度幅值变化率来表征刚度的时变特性。以深沟球轴承为例,分析了不同径向游隙、载荷、滚动体数对滚动轴承时变刚度的影响规律。结果表明,轴承的平均刚度与径向游隙负相关,与载荷和滚动体数正相关;刚度幅值变化率随着径向游隙的增大总体呈增大趋势,随载荷和滚动体数的增大总体呈减小趋势,但是,当等效承载滚动体数为整数时,滚动轴承刚度的时变特性最为明显。为了减小轴承刚度的时变特性,应当根据载荷等工况条件,选择合理的游隙和滚动体数。     

基于非理想Hertz线接触特性的圆柱滚子轴承局部故障动力学建模

传统方法对圆柱滚子轴承局部故障动力学的分析都是基于Hertz线接触理论,然而当轴承的滚子为凸度形状时,滚子素线不为直线,滚子与滚道之间的接触问题已经超出Hertz线接触理论的范畴。针对这个问题,以滚道表面存在局部故障的圆柱滚子轴承为研究对象,提出考虑滚动体与内外圈滚道之间非理想Hertz线接触特性和时变位移激励的圆柱滚子轴承局部故障动力学模型,研究位移激励形式和局部故障尺寸对圆柱滚子轴承振动特性的影响规律。研究表明,该模型能克服传统的线接触经验公式无法考虑滚子与滚道曲率的缺点,能更加准确反映圆柱滚子轴承滚道表面局部故障与滚动体接触的实际情况,为滚动轴承早期局部故障动力学分析和诊断工作提供新的计算方法和一些有价值的结论。     

含故障传动系统齿轮-轴承耦合动力学特性研究

针对齿轮传动系统工作环境复杂,故障率高的问题,对传动系统进行动力学分析并探究其故障机理。根据Hertz接触理论考虑轴承钢球离心力的作用,建立深沟球轴承时变刚度模型。利用能量法得到正常与含裂纹故障齿轮的时变啮合刚度。利用集中参数法建立齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型。考虑齿轮传动系统传递误差、时变刚度等参数激励因素,对齿轮传动系统的动力学特性进行仿真分析,得到了传动系统的振动加速度,分析了裂纹故障对齿轮动态响应的影响;通过台架试验验证了模型的正确性。研究结果表明:建立的动力学模型能够很好地描述含故障齿轮传动系统的动力学特性,在时域波形图中,由于裂纹故障的存在会产生周期性的冲击信号,同时频谱图中在啮合频率的周围会产生边频带。     

滚动轴承表面损伤故障动力学建模方法研究

建立有效的、符合实际情况的滚动轴承故障动力学模型是滚动轴承故障机理研究的关键。在已获得滚动轴承接触等效刚度与等效阻尼的基础上,考虑滚动轴承游隙以及承载区变化,建立了滚动轴承弹簧阻尼振动模型,将表面损伤故障点的冲击函数分别加载到外圈、内圈和滚动体上,建立了单故障的滚动轴承振动模型,采用四阶龙格库塔计算方法对模型求解,获得了故障滚动轴承内圈的振动数据并进行了频谱分析,采用故障滚动轴承的多体动力学仿真和实测实验对模型进行了验证,模型结果与仿真结果、实测结果的偏差在0.5 Hz以内。     

动车组转向架轴承局部损伤振动特性分析

针对动车组转向架轴承,根据轴承故障产生机理建立了轴承故障动力学工程模型。模型充分考虑了车轴弯曲刚度、轴承间隙及滚动体和滚道间的非线性接触力等因素,并包含内圈、外圈以及滚动体故障轴承动力学模型,使用龙格库塔数值积分方法进行了动力学仿真分析。针对实际轴承搭建实验台,对不同故障类型及不同程度故障进行了实际测试。仿真分析与实验结果吻合度较高,最大误差不超过5%,证明了该动力学模型的有效性。     

中介轴承故障动力学建模与振动特征分析

中介轴承是航空发动机转子的关键支承部件之一,工作转速高,润滑条件差,易发生故障。基于动力学模型的故障机理研究可以为中介轴承故障诊断提供依据。以Gupta圆柱滚子轴承复杂动力学建模方法为基础,考虑外圈的运动建立了中介轴承动力学模型,通过试验对模型进行验证。在此基础上,分别考虑滚道表面形貌和轴承间隙的变化,建立中介轴承磨损故障动力学模型;针对中介轴承滚道表面剥落等局部损伤故障,考虑滚动体通过损伤区域时趋近量和接触载荷方向的改变,建立中介轴承局部损伤故障动力学模型。利用所建故障动力学模型对不同磨损状态下中介轴承外圈径向振动响应进行研究。研究表明,出现磨损后,振动响应频率中出现若干随机成分;对于局部损伤和磨损的复合故障,随着磨损加剧,振动幅值随之增大,随机成分所占比重增加,损伤的故障特征不明显。     

基于关联维数的铁路货车滚动轴承故障诊断

将关联维数用于定量刻划滚动轴承在不同工作状态下的振动特征,进而对故障分类。同时提出用小波分析对原始数据进行降噪处理。文中以铁路货车轴箱197 726双排圆锥滚子轴承为例,计算了正常轮对、滚子损伤和外圈剥离三种情况下降噪处理前后振动信号的关联维数,分析结果表明,滚动轴承不同工作状态下的关联维数有明显差别,因此可以将关联维数作为识别滚动轴承故障的特征量。     

一种考虑轴承缺陷影响的机构动力学分析方法

为有效地揭示轴承滚道缺陷特征对高速机构动态响应特性的影响规律,在多体动力学理论框架下提出一种考虑轴承缺陷影响的机构动力学分析方法。该理论采用力约束方法构建机构中滚动轴承转动副模型,通过分析轴承中各滚动体与滚道缺陷几何特征之间的接触关系,计算滚动体接触载荷并获取轴承转动副等效约束反力,探讨轴承缺陷激励对高速机构动态性能的影响规律。在此基础上,以含深沟球轴承的曲柄滑块机构为例,分析轴承滚道表面局部式缺陷和分布式波纹度缺陷对机构动力学特性的影响。研究表明,轴承滚道缺陷将引发轴承各滚动体接触动载荷突变。这种突变载荷经传播后,直接影响着机构中各构件的运动状态,对高速机构运动平稳性将产生严重影响。此外,该理论方法具有一般性,具有不同滚道几何缺陷特征的滚动轴承均可嵌入到本方法中,分析轴承转动副缺陷对各类机构动力学特性的影响。     

考虑三维运动和相对滑动的滚动球轴承局部表面损伤动力学建模研究

滚动体通过局部表面损伤时轴承的运动参数及动力学响应是轴承疲劳损伤分析和故障诊断的有效输入和重要依据。基于GUPTA轴承模型构建具有局部表面损伤的滚动球轴承的完整动力学模型。该模型中每个轴承元件(滚球、内圈及外圈)具有6个自由度,并且考虑了元件之间的相对滑动和润滑牵引特性。在对局部表面损伤进行建模时,完整考虑了损伤出现后由于材料缺失而引入的额外间隙,以及损伤对赫兹接触刚度及接触载荷作用方向的影响。研究滚球在通过局部表面损伤时轴承的加速度与滚球/损伤之间冲击力的对应关系,以及轴承转速和损伤宽度对轴承振动响应的影响规律。仿真结果表明,由于考虑了相对滑动和滚球/损伤之间冲击力的影响,本模型能够对具有局部表面损伤的球轴承进行更为合理的动力学特性分析,可为滚动球轴承的疲劳损伤分析和故障定量诊断提供一定的理论依据。     

具有局部表面损伤的滚动球轴承动力学建模

提出了一种滚动球轴承局部表面损伤故障的动力学分析方法。模型中每个轴承元件具有6个运动自由度,并完整地考虑了陀螺效应、离心力及润滑牵引等动力学因素。通过几何特征的变化对局部表面损伤进行了建模。采用四阶变步长Runge-Kutta-Fehlberg积分法对动力学方程进行了数值求解,并在时域和频域中对动力学响应进行了分析。研究结果表明,由于考虑了润滑剂的牵引效果,计算得到的故障特征频率较纯滚动假设下的计算结果有一定的差异。文中综合考虑了轴承元件的三维运动、相对滑动、润滑效应以及局部表面损伤等因素,因此所提出的模型更为全面、有效和实用。     

滚动轴承外圈多点故障特征分析

滚动轴承发生多点故障时会产生复杂的振动特征,影响轴承故障诊断的准确性。针对滚动轴承外圈多点故障诊断特征的变化规律,考虑滚动轴承外圈故障数量、故障间隔和载荷分布对故障特征的影响,采用五自由度动力学模型进行仿真分析。通过龙格库塔法对动力学方程进行数值求解,分析了滚动轴承外圈单点故障和多点故障的诊断特征。结果表明:当外圈具有多点故障时,随着故障数量和故障间隔的变化,故障特征频率各谐波的幅值会发生变化;当多点故障满足载荷相等和一定的间隔关系时,故障特征频率值与故障数量之间呈现对应的倍数关系。通过滚动轴承多点故障模拟试验验证了结论的正确性。     

考虑疲劳故障的圆柱滚子轴承打滑失效分析

考虑滚道疲劳剥落故障、滚动体与保持架之间的非连续接触等因素,建立圆柱滚子轴承的非线性弹性接触显式动力学模型,研究不同剥落故障位置、径向载荷、内圈转速对滚动体和保持架打滑特性的影响规律;将仿真结果与理论解进行对比,验证有限元模型的有效性。研究结果表明:滚动体在非承载区更容易出现打滑;相同工况下剥落故障会使得滚动体和保持架的打滑率大幅增加,其中复合故障下的打滑率增加最多,内圈故障和外圈故障下的打滑率增幅基本相同;增大径向载荷能有效减轻轴承的打滑现象,但载荷增加到一定程度后对打滑的抑制效果不明显;低转速工况下内圈和外圈疲劳故障对轴承打滑率的影响不大,随着转速的提高疲劳故障对打滑率的影响愈加明显。