转台轴系轴承刚度矩阵的理论推导与数值计算

为提高三轴飞行模拟转台的动态性能及机械精度，对转台轴系的支撑轴承进行了研究。根据滚动轴承的几何学、运动学的基本原理和赫兹接触理论，建立了轴承刚度精确的数学模型，推导出了轴承完整的刚度矩阵的解析公式。研究了轴承受载、变形位移的数值计算方法。根据理论模型编制了轴承刚度的计算软件，为转台轴系有限元分析中边界条件的处理提供了依据。     

月基二维转台轴承预紧力和系统刚度计算

为了研究在转台结构形式确定的情况下,轴承预紧力与系统刚度的关系,分析了轴承预紧力、轴承刚度和轴系刚度之间的关系,推导了轴承预紧力与轴系固有频率之间的计算公式,并通过有限元分析的方法获得了轴承预紧力与系统固有频率的关系曲线。通过对二维转台固有频率的测试,验证了该方法的正确性,同时为轴承最佳预紧力的确定提供了一个有效的方法。     

周扫式激光通信跟瞄转台设计及分析

为了满足LEO对GEO激光通信任务的初始指向快速捕获(Acquisition)、精确瞄准(pointing)及精密跟踪(Tracking)需求。设计了一种卫星舱外的二维激光通信跟瞄转台。首先,根据通信任务需求,确立跟瞄转台的结构形式;其次,依据精密轴系设计理论完成方位俯仰两轴结构设计,并根据轴承支撑理论对周扫式跟瞄转台进行力学特性分析。分析表明本精密轴系能够在方位和俯仰两轴实现10″的跟踪精度,满足通信需求。最后根据赫兹接触理论计算精密轴系轴承在负载状态下的刚度,通过有限元分析软件分析了跟瞄转台的动态刚度及稳定性。经分析验证跟瞄转台能够承受搭载卫星发射条件要求。     

星载激光通信终端轴承预紧力及加载结构研究

星载激光通信终端通过方位、俯仰轴系的运动实现目标跟踪。轴系回转精度是二维转台实现良好工作的前提。通过对角接触球轴承模拟分析,确定卫星发射以及在轨运行时转台轴承的最优预紧力大小,通过轴承预加载结构实现轴承从高预紧状态过渡到轴承低预紧状态,解决了传统固定式预紧力不能同时满足两种工况的难题,即发射时大预紧力满足高刚度与基频,在轨运行时低预紧力以降低平均摩擦,扭矩噪音以及轴承接触应力。     

轴承刚度对船舶轴系振动特性的影响研究

针对某船舶轴系进行了三维几何建模,对不同位置、不同刚度的轴承条件下的轴系周有振动特性进行了分析,得到了不同位置不同刚度的轴承对船舶轴系固有振动特性的影响。计算结果表明,不同位置轴承刚度的变化对船舶轴系固有振动特性的影响有很大的不同。在所有的轴承中,船舶前后艉架轴承和船舶艉管轴承对船舶轴系的振动特性影响最大,同时这些轴承工作条件恶劣,在船舶正常运行过程中刚度要发生很大的变化,因此在船舶运行过程中必须时刻注意这些轴承的性能变化。其它位置处的径向轴承由于刚度相对较大,而且刚度不易发生变化,因此对船舶轴系的振动特性影响较小。而推力轴承刚度的变化影响只影响轴系的高频振动,对船舶轴系最关注的低频振动来说,影响可以不计。     

三轴精密测试合气浮轴系角刚度数值计算分析

本文采用有限元数值分析方法对三轴精密测试合气浮轴系的角刚度进行了精确计算，所得结果为该转台的研制成功提供了重要的设计参数．     

三轴精密测试台气浮轴系角刚度数值计算分析

本文采用有限元数值分析方法对三轴精密测试台气浮轴系的角刚度进行了精确计算，所得结果为该转台的研制成功提供了重要的设计参数。     

船舶艉轴承间隙对轴系回旋振动特性影响分析

为了探究船舶艉轴承的支承刚度对推进轴系回旋振动特性的影响,本文利用流体动力润滑理论,通过求解适用于径向轴承的Reynolds方程,分析了轴承液膜刚度的动态特性,进而利用有限元方法分析其对轴系回旋振动的影响。研究发现液膜刚度随轴颈转速增大呈非线性变化,在特定转速下会发生波动。轴承设计间隙增大会导致水平方向的刚度增大,而竖直方向的刚度会先减后增。通过ANSYS有限元软件建立了船舶推进轴系模型,分析艉轴承不同设计间隙对轴系回旋振动的影响。当临界转速处于刚度出现波动的转速范围内时,发生耦合作用使固有频率产生影响,为船舶轴承设计间隙选取提供理论依据。     

光电跟踪转台垂直轴系动态特性

为实现光电跟踪转台的精密控制,对某型号跟踪转台垂直轴系动态特性进行了研究。首先分析了轴系固有频率与转台谐振频率之间关系,建立了垂直轴系动力学模型。然后建立了转台有限元模型,进行了模态分析,并根据实际工况,加载激励和边界条件,利用显式积分对垂直轴工作情况下整个转台响应进行求解。最后搭建了垂直轴系动态特性实验平台,进行伺服扫频实验,获得垂直轴以及随动部件的时域和频域特性。结果表明:动力学分析垂直轴系固有频率为180.4Hz,仿真结果为190Hz,伺服实验扫频结果为174Hz,最大误差在10%以内,根据分析提出了增大垂直轴系固有频率与选取控制带宽的参考方案,为轴系动态特性探索研究与优化提供了依据。     

滚动轴承组合辅助设计

本程序适用于一个装有多个传动部件,且各传动部件上受载点方位角又不相同的轴系上之轴承组合设计计算。可以按轴系工作条件,在20mm至150mm轴颈范围内,从四大类别,五个系列的414个轴承规格,1012种轴承组合中筛选出满足使用要求的所有轴承组合,并顺序地打印出轴承型号、组合形式、使用年限及轴承支承上的支反力,为轴强度计算、刚度计算,提供可靠依据。     

薄壁角接触球轴承轴向刚度分析及其实验

针对薄壁角接触球轴承刚度分析中的多体接触协调变形的情况,以71718轴承为例进行了薄壁角接触球轴承的轴向刚度特性研究．根据单元大小对分析结果的影响确定合理的单元尺寸;利用所确定的单元尺寸建立71718轴承的三维有限元模型,并对其轴向刚度进行分析;搭建轴承轴向刚度测试平台,并利用该平台对71718的轴向刚度进行测试．实验结果与分析结果的对比可知,利用Hertz解析解计算时误差较大,利用有限元法得到的解与实际测试结果误差在10％以内．     

混合预紧下高速电主轴涡动频率的理论研究

为了有效预测并控制高速电主轴的支撑刚度和临界转速,建立了角接触球轴承在混合预紧机理下的数值计算模型,对主轴系统进行有限元建模,耦合轴承组模型与转轴模型构成转轴-轴承模型.通过对整体模型计算获得主轴系统的动态特性参数,将结果反代入整体模型,进而进行循环迭代,从而研究主轴涡动频率.制定转轴-轴承模型动力学计算流程,研究了电主轴在不同工况下轴承支撑刚度和涡动频率等动态特性.理论计算结果表明:与传统计算方法相比,所建模型计算电主轴在高速运转时的动态特性具有更高精度.采用合理的预紧方式和预紧力有利于提高主轴系统在高速运转时的临界频率.     

任意截面钢筋混凝土柱单元模型

提出了任意截面钢筋混凝土梁柱结构体系的单元模型,该单元模型同时考虑了材料非线性和几何非线性对结构体系的影响.采用三次多项式模拟混凝土、钢筋的本构关系,所推导的单元刚度计算简单、概念清晰,是单元材料非线性刚度矩阵、几何非线性刚度矩阵和位移与内力相互作用矩阵的简单迭加.提出的任意截面钢筋混凝土柱单元模式,含义清楚、计算简便,可用于分析钢筋混凝土柱因材料破坏、失稳破坏或材料非线性与结构失稳综合产生的极限承载力计算,所建立的有限元模型很容易与其他有限元模型兼容.理论分析结果与实验结果吻合较好.     

轴承过盈配合量对主轴动力学特性的影响

为探索轴承配合过盈量在转速和温升等因素影响下的变化规律及对主轴系统动力学特性的影响规律,首先建立了考虑转速引起的内圈离心膨胀和温升引起的热位移轴承过盈配合模型,然后将过盈配合模型耦合进Harries轴承动力学模型,建立了考虑轴承配合的轴承动力学模型,并基于Timoshenko理论建立机床主轴系统有限元模型. 针对实验室自建主轴系统,进行了轴承配合过盈量对主轴动力学特性影响分析. 结果表明:轴承内、外圈初始过盈量增加,原始接触角线性减小;初始过盈量在温升及离心力的双重影响因素下会增大;初始过盈量、内圈离心膨胀及内外圈热膨胀会导致轴承刚度增大,轴承刚度增大导致主轴系统固有频率增加,相比较一、二阶固有频率,三、四阶固有频率受过盈量及其影响因素的影响较大.     

Finite Element Modeling and Vibration Analysis of Sprag Clutch-Flexible Rotor System

斜撑离合器-柔性转子系统有限元建模及振动特性分析

黄创^1,2,赵永强^1*,靳广虎^3*

（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001;

2. 珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519070;

3. 南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室,南京 210016）

摘要：

为研究高速运行工况下斜撑离合器-柔性转子系统 (SC-FRS,sprag clutch-flexible rotor system) 的整体振动特性,基于推导的斜撑离合器刚度矩阵的计算方法,建立了考虑转子柔性及轴承支撑刚度的SC-FRS的有限元模型。以此模型为基础,计算了系统的固有频率和模态振型,通过与ANSYS软件计算结果的比较,验证了本文模型正确性。同时,在不平衡量作用下,分析了系统的弯扭耦合振动和中介轴承动载荷,研究发现扭转方向的共振峰与弯曲方向的共振峰有着相同的共振频率。搭建了斜撑离合器-转子系统试验台,进行了轴心轨迹和临界转速的测试,试验结果表明使用SC-FRS的有限元模型能够较准确地描述系统的振动特性。

关键词：斜撑离合器转子系统;有限元模型;不平衡量;实验验证

     

梁杆结构稳定性分析中的传递矩阵模型缩减法

为了准确地分析梁杆结构的稳定性问题并降低系统刚度阵的阶数,提出了基于传递矩阵法和精确有限元的模型缩减法.将具有弹性支撑的非共线链式分支子结构当作一个超单元,结合梁单元精确刚度阵,使用传递矩阵法联系两端载荷和位移关系,得到该超单元在整体坐标系下的刚度阵,且该刚度阵为与普通梁单元同阶的对称方阵,可直接组装到系统刚度阵中.求解该缩减后系统刚度阵的行列式可得到结构的欧拉临界力.由于子结构的内部自由度不出现在系统刚度阵中,在保证计算精度的同时极大降低了系统刚度阵的阶数.典型算例的稳定性分析验证了方法的正确性和有效性.     

HDR隔震支座梁桥横向碰撞参数的研究

由近年来的震害调查表明,中小跨径桥梁在横向地震作用下梁体、抗震挡块碰撞破坏现象严重。为寻求减隔震支座在减小中小跨径桥梁横向碰撞效应方面的应用,选用HDR高阻尼隔震支座,建立了考虑支座非线性、墩柱弹塑性、桩土作用的横桥向碰撞模型。采用非线性地震反应时程分析方法,详细研究了HDR支座刚度、接触单元碰撞刚度、初始间隙等参数对隔震梁桥横向碰撞效应的影响。结果表明:采用较大的HDR支座的刚度、合理的挡块刚度,可以有效地减小梁桥的横向碰撞响应。     

球轴承-转子系统动特性的整体分析方法

针对轴承刚度计算精度不高的问题,求解滚动轴承内圈方程组的雅可比矩阵得到滚动轴承五维刚度,对轴承刚度特性分析表明,刚度随工况变化呈显著非线性变化.考虑转子外力和不平衡力作用于轴承的载荷变化和工况变化对轴承刚度的影响以及轴承刚度对转子系统动特性的影响,提出了滚动轴承-转子系统动态特性计算的整体分析方法,使用最速下降法结合牛顿-拉夫逊法求解系统的特征值,建立了转子失稳门槛的优化模型.对某多圆盘转子的临界转速、失稳门槛计算的结果表明:考虑轴承和转子相互作用对系统动特性的影响较为显著,优化转子直径提高了失稳门槛值.本研究为转子系统动特性的准确计算提供了方法.     

Analysis on Nonlinear Dynamic Properties of Dual-Rotor System

In order to clarify the effects of support structure on a dual-rotor machine, a dynamic model is established which takes into consideration the contact force of ball bearing and the cubic stiffness of elastic support. Bearing clearance, Hertz contact between the ball and race and the varying compliance effect are included in the model of ball bearing. The system response is obtained through numerical integration method, and the vibration due to the periodic change of bearing stiffness is investigated. The motions of periodic, quasi-periodic and even chaotic are found when bearing clearance is used as control parameter to simulate the response of rotor system. The results reveal two typical routes to chaos: quasi-periodic bifurcation and intermittent bifurcation. Large cubic stiffness of elastic support may cause jump and hysteresis phenomena in resonance curve when rotors run at the critical-speed region. The modeling results acquired by numerical simulation will contribute to understanding and controlling of the nonlinear behaviors of the dual-rotor system.