圆柱滚子轴承多体接触动力学研究

考虑滚子和套圈、滚子和保持架、保持架和引导套圈的动态接触关系,提出了机械系统中圆柱滚子轴承多体动力学分析的新方法。基于圆柱套圈滚道的三角网格模型,实现了圆柱滚子和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,进而建立了计及润滑摩擦作用和Hertz接触作用的圆柱滚子轴承的三维多体接触全动力学模型。运用广义-α方法计算分析了不同工况条件下圆柱滚子轴承的动态特性和保持架的稳定性,获得了不同工况下轴承的运动轨迹、角速度、滚子和倾斜扭转振动、动态接触力,拖动力和相轨迹等动态响应的变化规律。计算结果表明低速或较小径向力下,滚子和保持架的拖动力相对较小且不稳定,滚子和保持架侧梁、外圈挡边之间存在明显的频繁接触冲击作用,内圈中心的振动位移相对较大,保持架中心的径向平面运动轨迹形成不稳定的近似圆周运动,圆柱滚子轴承的运动稳定性相对较差。随着转速或旋转径向力的增加,保持架中心的径向平面运动轨迹为圆周运动和单周期的相轨迹运动,保持架中心的轴向振动明显,滚子倾斜扭转振动相对较小。     

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。     

时变载荷激励的空调滑片式压缩机用球轴承振动特性分析

基于滚动轴承动力学理论，建立了时变载荷激励的空调滑片式压缩机用球轴承非线性动力学方程组，采用Gear Stiff(GSTIFF)变步长积分算法对其进行求解，就球轴承的结构参数和工况参数对球轴承振动特性的影响进行了分析。结果表明：时变载荷激励下球轴承的振动响应频率以时变载荷频率为主，表现出强迫振动，且振动速度幅值远高于恒定载荷下轴承振动速度幅值；结构参数中，原始径向游隙对球轴承振动特性影响显著，采取零游隙或负游隙能够有效地抑制时变载荷对轴承的冲击；保持架兜孔间隙对轴承振动影响较小，存在最优的保持架兜孔间隙使得保持架振动最小；考虑时变载荷的影响，对空调滑片式压缩机用球轴承施加0.3%～0.6%额定动载荷的轴向预紧力可实现降低轴承振动目的。     

低噪音深沟球轴承振动特性研究

在滚动轴承动力学分析理论基础上建立含轴承零件工作表面波纹度的深沟球轴承动力学数学模型,并以某型号低噪音深沟球轴承为例,对不同结构参数、工况参数及谐波参数下低噪音深沟球轴承的振动特性进行理论分析。结果表明,合理选取径向游隙、内外沟曲率半径系数及保持架兜孔间隙等参数能使轴承本身达到减振降噪目的;振动值随轴承宽度增加逐渐减小;施加一定轴向载荷能有效降低轴承振动;存在的合理转速使用范围能有效降低轴承振动;内外滚道谐波阶次等于钢球数目整数倍时,轴承振动明显加剧;外滚道激励谐波对应的激励频率为kzfc,内滚道激励谐波对应的激励频率为kzfc+fs;偶次谐波阶次钢球表面波纹度对轴承振动有激励作用;轴承旋转套圈会激励更大的轴承振动值;瞬时载荷增加或瞬时速度提高均会致轴承振动增大。     

高速脂润滑圆锥滚子轴承保持架动态稳定性分析

考虑脂润滑弹流润滑效应和挤压膜润滑效应,分析了保持架与轴承组件的多体接触作用关系,建立了计及润滑油膜等效刚度和等效阻尼的圆锥滚子轴承保持架全动力学模型。运用四阶Runge-Kutta方法计算分析了速度、载荷、预紧量等对保持架动态稳定性的影响规律,并对比分析了尼龙、钢和铜保持架的动态稳定性。分析结果表明:在平稳阶段,保持架与引导套圈接触力要远高于兜孔接触力,且保持架打滑率要低于滚动体打滑率;保持架和滚动体打滑率随轴承转速升高而增加,随载荷或预紧量的增加而减小;滚动体与兜孔间隙越小保持架动态稳定性越好,且兜孔接触力也越小;引导面间隙越小保持架与引导面的接触力越小,但保持架稳定性变差;在轴承转速分析范围内,尼龙和铜保持架的动态稳定性均随转速的提升而增加,在高速时钢保持架的稳定性要次于尼龙和铜保持架。     

高速角接触球轴承保持架不稳定运动机理分析

建立了球和保持架六自由度的角接触球轴承动力学为基础的磨损仿真模型。以某仪表转子轴承为算例,分析了不同载荷工况和保持架间隙比下保持架的运动,从球与保持架兜孔碰撞点位置、碰撞力的大小和频率等方面探讨了保持架不稳定运动的机理。发现在纯轴向载荷下,因球与兜孔碰撞点位置的不同,保持架会沿轴向摆动;轴向径向联合载荷作用下,因球的轨道速度随接触角变化,球与保持架碰撞力和频率都增加,导致保持架的运动不稳定;轴向和旋转径向负荷下,保持架兜孔间隙与挡边间隙比B/R1时,保持架质心运动轨迹接近于圆形,保持架的离心力作用于球上增大了球与兜孔的碰摩;间隙比大于1时,保持架质心轨迹为多边形或无规律涡动,引导挡边对保持架的约束减小了球与兜孔的相互作用,保持架兜孔的磨损率较低;圆形的质心轨迹是保持架稳定运动的一种状态,但从保持架磨损和能耗的角度看,对保持架的磨损寿命不利。     

变参数下角接触球轴承保持架的稳定性与振动特性分析

保持架是角接触球轴承的重要元件之一,其引导间隙和兜孔间隙设计不合理会导致轴承运动失稳与共振。针对上述问题,在理论分析的基础上,结合滚珠、保持架和滚道之间的动态接触与变形关系,在ABAQUS软件中建立了7005型角接触球轴承的显式动力学模型,并提取了特定工况下该轴承内圈、保持架与滚珠的动态响应曲线;同时,研究了不同引导间隙和兜孔间隙下保持架的打滑率、质心涡动速度偏差比和各阶振动模态的固有频率。为了验证所建立的角接触球轴承显式动力学模型的准确性,对高速角接触球轴承各元件线速度的仿真值与理论值进行了对比。结果表明：随着引导间隙的增大,保持架的打滑率、质心涡动速度偏差比和各阶振动模态的固有频率均减小,保持架的稳定性增强,但共振风险增大;随着兜孔间隙的增大,保持架的打滑率增大,质心涡动速度偏差比变化不明显,各阶振动模态的固有频率减小,保持架的稳定性减弱,共振风险增大。高速角接触球轴承各元件线速度的仿真值与理论值的最大误差仅为0.099 6%,验证了所建立的显式动力学模型的准确性。研究结果可为高速角接触球轴承保持架的优化设计提供理论依据。     

变工况下滚动轴承保持架碰撞接触动力学特性分析

滚动轴承保持架在运动过程中始终会与滚动体产生碰撞,尤其在变工况条件下更易表现出复杂的动态接触特性,对轴承使用性能和寿命产生重要影响。该研究以深沟球轴承6309为研究对象,考虑滚动体与内外圈、保持架之间动态接触关系,建立了滚动轴承耦合动力学模型,分别讨论了匀、加、减速及不同转速波动工况下滚动体与保持架间碰撞力幅值、次数及分布情况等接触特性变化。研究结果表明：变速工况下滚动体与保持架间碰撞次数增多;加速工况下滚动体与保持架兜孔前端碰撞力幅值明显小于后端碰撞力幅值,且承载区内滚动体主要与兜孔前端发生频繁碰撞,非承载内则主要与后端发生碰撞,减速工况则相反;相较于稳定工况,转速波动工况下滚动体与保持架间碰撞作用力要大得多,碰撞程度从小到大依次为三角波动工况、简谐波动工况、矩形波动工况。该研究结果可为保持架的设计和失效分析提供理论依据。     

点接触弹流润滑条件下的深沟球轴承表面局部缺陷动力学建模

传统轴承动力学模型多为无润滑干接触状态下建立的接触力学模型,没有考虑润滑对轴承振动的影响。由于球轴承内部钢球与滚道之间润滑油膜的存在,油膜影响轴承的接触刚度。基于非线性赫兹接触变形和弹性流体润滑,提出了一种深沟球轴承局部缺陷的两自由度动力学模型。首先将接触变形、径向间隙和缺陷的连续性变化关系对轴承的局部缺陷影响提出了模拟的方法,然后加入了弹流润滑对轴承接触刚度的影响这一因素,并建立深沟球轴承的两自由度动力学模型,能更加准确的模拟轴承实际运转时的真实状态。最后通过振动响应的仿真信号与轴承故障实验台的数据进行对比,验证这种模型的准确性,为轴承故障诊断提供了理论依据。     

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。     

高速球轴承冠形保持架振动特性研究EI北大核心CSCD

冠形保持架重心位置直接影响高速深沟球轴承保持架动态性能,进而影响轴承高速工作性能和使用寿命。针对一种新型深沟球轴承修形冠形保持架,给出了冠形保持架修形半径与其重心位置的关系式,结合滚动轴承动力学理论,建立了深沟球轴承非线性动力学微分方程组,采用预估-矫正变步长积分法对轴承非线性动力学微分方程组进行求解,在此基础上,对冠形保持架修形半径与保持架振动特性的关系进行了分析。研究结果表明:冠形保持架修形半径能改变保持架重心与保持架兜孔中心面距离,降低保持架运转过程的附加力矩,有效降低保持架的振动;过大或过小的修形半径不利于减弱保持架的振动,当高速球轴承保持架修形半径为8.3 mm时,保持架加速度级达到最小,此时保持架振动最低;随着轴承使用条件改变,保持架振动加速度级随径向载荷增加呈现先增大后减小趋势;此外,保持架振动加速度级随轴承转速增加而增大,在轴承运行速度不变的情况下,考虑选取合适的保持架修形半径达到减弱保持架振动的效果;当轴向载荷与轴承额定动载荷比值在0.6%~0.8%时,保持架振动结果较小且轴承寿命较高。     

保持架间隙对角接触球轴承保持架磨损的影响研究

保持架间隙是滚动轴承重要的结构参数之一,直接影响着保持架受力和运动,进一步影响保持架的磨损甚至轴承的寿命。在分析轴承保持架间隙与受力关系的基础上,定性分析间隙对保持架磨损的影响;在搭建滚动轴承试验器上开展了保持架间隙对角接触球轴承保持架磨损影响的试验研究;在相同试验条件下对采用不同引导间隙和兜孔间隙保持架的被试轴承进行试验,分析了保持架和钢球表面形貌磨损特征,对比不同保持架间隙(引导间隙、兜孔间隙)条件下保持架与钢球的磨损程度,获得保持架间隙对角接触球轴承保持架磨损的影响规律。试验结果表明,保持架间隙明显影响着保持架兜孔、引导面的磨损,增加引导间隙及兜孔间隙可以降低保持架引导面的磨损;研究成果为保持架间隙的设计与优化提供了理论参考和试验依据。     

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。     

四列角接触球轴承振动特性研究

基于滚动轴承动力学理论,建立了四列角接触球轴承的动力学分析模型,并以某型号四列角接触球轴承为例,对不同结构参数与工况参数下的轴承振动特性进行理论分析。结果表明:对于四列角接触球轴承,根据使用工况选择大、小球列不同的内、外沟曲率半径系数与初始接触角更有利于轴承的减振降噪;对轴承施加一定的轴向预紧量可有效减小轴承振动;存在较为合理的轴向载荷、倾覆力矩及内圈转速范围使四列角接触球轴承在使用时的振动较小。     

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。     

转子系统振动特性演化规律研究

基于碰摩理论建立Jeffcott转子系统动力学模型,基于现代非线性动力学和分叉理论对转子系统进行深入分析,确定周期无碰摩响应的边界、碰摩运动的边界及其稳定性边界。对系统参数阻尼比和偏心率对转子系统振动响应特性随旋转速度演化规律的影响进行详细分析,得到不同振动响应演化方式在阻尼比和偏心率参数平面上的分布,给出各种转子系统响应特性随旋转速度的演化规律。分析结果有助于更好地理解转子系统的无碰摩周期运动、同频全周碰摩运动、局部碰摩运动、反向涡动失稳以及跳跃现象等动态响应特性和系统参数之间的关系。     

温变配合间隙对全陶瓷球轴承-转子系统动态特性影响分析

针对全陶瓷球轴承热变形小,在宽温域下轴承外圈与轴承座之间配合间隙变化较大的特点,建立了考虑温变配合间隙的全陶瓷球轴承-轴承座动力学模型。将轴承座与轴承外圈受热变形分别计算,并将不同温度下配合间隙作为边界条件对全陶瓷球轴承动态特性进行求解。以轴承工作温度、工作转速、初始配合间隙为变量对全陶瓷球轴承外圈振动情况展开参数化研究,并结合试验手段对模型精度加以验证。结果表明,考虑温变配合间隙的动力学模型能够准确模拟全陶瓷角接触球轴承在不同工作温度下的动态特性。随着工作温度的升高,全陶瓷球轴承振动整体呈现增大趋势,且振动幅度呈现非线性变化趋势。在全陶瓷球轴承外圈与轴承座配合处适当采用紧配合有助于减小高温下轴承外圈与轴承座之间配合间隙,提升变温工况下全陶瓷球轴承回转精度。研究工作可为全陶瓷球轴承状态分析提供参考,并为全陶瓷球轴承-转子系统优化设计提供理论依据。     

保持架对低温工况全陶瓷球轴承振动特性的影响

为探究保持架对低温工况下全陶瓷球轴承振动特性的影响,开展氮化硅全陶瓷球轴承低温工况下的理论与试验研究,测试并分析装配有不同材料保持架的全陶瓷球轴承振动信号特征。研究结果表明,保持架的振动特性与其受力状态的贡献特征频率类似,均以保持架特征频率f_c、陶瓷球特征频率f_b的倍频、内圈特征频率f_i的倍频及保持架与内圈耦合的特征频率成分为主;改变轴向载荷及试验温度,装有聚合物基和胶木保持架的全陶瓷球轴承振动速度小于装有碳纤维复合材料保持架的全陶瓷球轴承,但装有碳纤维复合材料保持架的全陶瓷球轴承峭度值小于装有胶木和聚合物基复合材料保持架的全陶瓷球轴承,即在全陶瓷球轴承信号平稳性以及降低故障概率方面,碳纤维复合材料要优于胶木和聚合物基复合材料。研究结果对于低温工况下全陶瓷球轴承保持架的选取具有一定的参考与借鉴价值。     

深沟球轴承三维非线性时变振动特性研究

为了深入揭示滚动轴承的振动特性,本文以深沟球轴承6304为研究对象,考虑轴承座和套圈变形对轴承振动的影响,建立了轴承-轴承座系统全柔体三维接触非线性动态有限元分析模型。针对轴承刚度的非线性特征,提出了轴承时变刚度计算方法,研究了转动过程中的滚动轴承刚度的时变特性。在充分考虑时变刚度、径向游隙以及非线性接触等非线性因素的基础上,对深沟球轴承进行了转动过程非线性数值仿真,获得了轴承内、外圈和滚动体等结构零件的振动加速度,并分析了轴承内、外圈和滚动体的时域和频域振动特征以及游隙对轴承振动特性的影响,为轴承的减振降噪和运行状态监测提供了理论分析依据。     

考虑滚动体滑移的全陶瓷角接触球轴承非线性动态特性分析

为了探究陶瓷滚动体发生滑移运动时全陶瓷角接触球轴承的动态特性,建立了滚动体与轴承外圈的接触模型,计算了滑移情况下的接触参数。在此基础上建立了考虑滚动体滑移行为的全陶瓷角接触球轴承动力学模型,通过模型的计算结果分析了轴承系统的振动特性和周期规律。由模型计算结果可知,滚动体发生滑移运动时接触变形和接触面积随载荷的增大而增大,然而接触变形远小于正常接触时的情况,接触面积大于正常接触时的情况。搭建了轴承转子试验台进行振动试验,在试验工况条件下得到的全陶瓷轴承振动幅值与模型计算的结果平均误差仅为0.68%,证明了模型的准确性。该研究为全陶瓷角接触球轴承的接触机理研究和动态特性分析提供了一定的理论依据。