基于波纹箔片刚度试验的气体箔片轴承动力学特性

为了研究波纹刚度特性以及其对箔片轴承动力学特性的影响,设计了波纹箔片刚度测试试验台。分别对两端固定和一端固定一端自由两种约束条件下的波纹箔片刚度进行了测试,并将试验结果与仿真结果进行了对比分析。最后基于轴承波纹结构刚度特性,利用小扰动法求解了轴承动力学特性系数,研究了波纹箔片刚度特性对轴承动力学特性系数的影响。结果表明:两端固定波纹箔片刚度较一端固定一端自由波纹箔片单位宽度刚度大5倍以上,并且随着波纹变形量的增加,两端固定约束使其波纹箔片刚度比一端固定一端自由波纹箔片更具有非线性,而刚度仿真结果并没有体现出非线性,只是模型中引入的结构摩擦因数使得刚度值随摩擦因数有所增大。最后轴承载荷增加会使得轴承刚度系数以及主阻尼增加,其他阻尼系数减小,并且鉴于波纹箔片刚度非线性的原因,采用刚度试验值计算得到的轴承动力学系数增加幅度要明显大于文献仿真模型。

双列圆锥滚子轴承动力学分析

基于滚动轴承动力学理论,建立了双列圆锥滚子轴承动力学分析模型。采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的方法,对轴承非线性动力学微分方程进行求解。研究了双列圆锥滚子轴承的最大接触压力、滚子打滑率、滚子歪斜角以及轴承疲劳寿命等动态性能。分析结果表明:轴承的最大接触压力随轴向预紧量的增加呈先减小后增大的趋势,最佳预紧量随外载荷的增加而变大;滚子歪斜角随径向载荷的增加而变大,"压紧"侧的滚子歪斜角略微大于"放松"侧;轴承疲劳寿命随轴向预紧量的增加而增大直至最大值,随后迅速下降。

滚动轴承动力学分析中的理论问题（三）

对Ｇｕｐｔｅ专著《滚动轴承动力学分析》中的若干理论问题作了介绍和验证后，本文系统地论述了求解动力学基本方程的步骤和方法，并以球轴承静力平衡为例，通过接触变形、接触角、运动学分析和拟静力学平衡方程的计算，给出动力学微分方程的初始条件。求解动力学基本方程的方法主要有显式算法和隐式算法。

钢球错装状态下的轴承动力学行为研究

本文针对工程实践中遇到的由钢球错装引起的双半套圈角接触球轴承动力学行为异常这一问题开展研究.通过推导钢球与内圈、外圈、保持架和引导套圈之间的作用力、力矩表达式,建立了双半套圈角接触球轴承的动力学模型.在此基础上开展仿真分析,对比正常装配钢球和错装钢球两种条件下轴承的动力学行为差异.开展试验验证,获得轴承在两种装配条件下的振动数据.仿真与试验表明：钢球错装状态下,轴承振动加剧,摩擦力矩增大,易引发早期失效.

高速列车轴箱轴承动力学行为及温度分析

为探究高速动车组运行过程中轴箱轴承的动力学响应和轴箱内部温度分布,以某型高速动车组为例,建立了车辆轨道耦合动力学模型及双列圆锥滚子动力学模型。通过车辆动力学模型分析了实测轨道谱激励下轴箱轴承的受载情况和振动工况,并以此作为输入分析轴承动力行为,基于摩擦生热理论计算了轴承内各接触部位的摩擦功耗。在热源计算的基础上建立了轴箱单元的热网格模型以求解轴箱内部各节点的温度分布。研究结果表明,车轮多边形会使轴箱轴承保持架质心运动变得杂乱且伴随着很强的冲击,滚动体与内外圈的接触应力也随之增大。轴箱内部温度最高部位为滚动体和内圈挡边接触区,车轮多边形化对轴箱轴承温升几乎无影响,但对轴承保持架冲击较大,会影响轴箱轴承的使用寿命。轴承的外圈故障会使轴承温度显著升高,而内圈故障对轴承温升的影响则相对较小。

基于Reynolds边界的滑动轴承动力学系数的计算及应用

运用有限元方法,在不需要额外求解Reynolds方程的情况下,求解了具有Reynolds边值条件的流体润滑问题,使得同时完成动力积分过程中非线性油膜力及影响Floquet乘子求解的油膜力Jacobian矩阵的计算成为可能;运用打靶法及预估-校正和打靶法相结合的延续算法考察了轴承-转子系统的非线性不平衡响应及其随轴承设计参数改变而出现的分岔现象,实现了计算量的有效减少.

一种轴承松动-内圈缺陷耦合的转子系统动力学模型

当轴承松动与内圈缺陷同时出现时,将对转子系统动态特性产生较为严重的影响,不利于对转子系统进行故障诊断与状态监测。针对这一问题,提出了一种轴承松动-内圈缺陷耦合的转子系统动力学模型,分析了含内圈缺陷-松动耦合故障轴承的转子系统振动动态特性。首先,根据赫兹理论与轴承运动学理论分析了轴承受力;然后,根据胡克定律与转子系统集中质量法建立了松动-内圈缺陷耦合的转子系统动力学模型;最后,采用数值仿真方式获取了转子系统的振动响应,探讨了转速和载荷对松动-内圈缺陷耦合转子系统振动特性的影响,并通过实验对该模型的准确性进行了验证。研究结果表明:松动-内圈缺陷同时存在的轴承频谱上出现了典型的干摩擦特征频率,即1/2倍旋转频率及其倍频,且其幅值与转速、载荷呈正比;此外,1/2倍旋转频率及其倍频、旋转频率及其倍频与内圈缺陷频率的组合频率的出现,表明了松动和内圈缺陷同时发生,该现象在转子系统另一个轴承上也有所体现。该研究结果为轴承转子系统的耦合故障检测提供了理论依据。

高转速水轮机轴承系统动力学分析与减振技术研究

本论文以高转速水轮机轴承系统稳定性及可靠性为研究对象,目的在于通过动力学分析及减振技术的研究促进水轮发电机运行效率及寿命的提高。利用有限元方法、Matlab软件计算以及Ricatti传递矩阵对其进行动力学分析,并通过试验与仿真相结合的手段对研究假设进行了验证。结果表明,转速特性、轴承材料性能、系统载荷特性以及减振技术的应用等因素对水轮机的效率具有显著影响。通过优化设计及减振技术的完善,能有效地减少振动磨损、提高系统稳定性与可靠性。流体动力学的进步在提升水轮机的工作效率上起到了关键作用,为水轮机的设计与优化带来了刷新的观点。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

高速滚动轴承动力学及润滑热失效研究

现代装备向高速/重载等方向的发展对轴承性能提出了更高要求。在高速工况下,打滑蹭伤以及轴承工作温度突然升高和润滑失效导致的表面损伤成为轴承的主要失效形式。因此对高速滚动轴承的动态特性和结构参数影响有必要进一步深入研究,提出更精确的模型预测轴承的性能,并进行优化设计。

考虑滑动轴承时变动力学参数的齿轮系统建模及分析

为了对齿轮系统进行更加深入的研究,综合考虑时变轴承动力学参数以及动态齿侧间隙的影响,建立了齿轮系统动力学模型并进行了振动响应分析。以圆柱直齿轮为研究对象,将动压润滑轴承模型与齿轮啮合模型相结合,并计入动态齿侧间隙的影响,建立了系统的动力学微分方程。提出了一种齿轮-滑动轴承耦合系统的求解方法,分别研究了轴承间隙、齿侧间隙以及转速对系统振动响应的影响。结果表明:滑动轴承动力学参数的时变特性有助于改善系统的振动响应;在一定范围内增加轴承间隙以及齿侧间隙可以减小齿轮动态啮合力以及径向振动;随着齿轮转频的增加,系统的振动响应幅值减小,运动趋于平稳。

精密高速电主轴动力学特性及轴承刚度软化分析

针对某精密高速电主轴系统,介绍主轴的系统结构,分析其高速加工状态下的特点和影响要素,对主轴和轴承采用有限元建模方法,用弹簧阻尼单元模拟主轴轴承支承。对不同弹簧单元布置形式下主轴系统的静力学特性,谐响应和模态进行了分析研究。在主轴高速加工的状态下,采用有限元法研究了基于高速旋转状态下轴承软化效应的主轴系统动特性,结果表明该种方法对于高速运行状态下能一定程度对动力学特性的变化规律进行仿真模拟,为快速分析高速下由于轴承软化现象引起的系统固有频率变化提供了一种思路。

高速主轴轴承系统热机耦合动力学的研究

从轴承热动态特性,以及主轴-轴承系统的热动力学动态特性等角度,综述相关理论的研究进展以及影响电主轴工作性能的若干关键因素。

大跨距双列圆锥滚子轴承热态特性

针对摩擦发热会影响轴承寿命的问题,基于滚动轴承动力学理论,建立了考虑滚子修形的重载特种车辆用大跨距双列圆锥滚子轴承动力学分析模型和精细化轴承功耗数学模型,研究结构、工况参数对轴承摩擦功耗的影响规律,并对滚子与套圈的内滚道、外滚道和大挡边之间的接触温度特性进行分析。研究结果表明:转速、径向载荷增大以及内滚道倾角减小,滚子与挡边、滚道接触区最大温度均增大,且挡边接触区最大温度增大速率较快。轴向载荷增大会使受压侧受载最大滚子与套圈大挡边、滚道接触区最大温度均增大,套圈大挡边接触区最大温度增大速率较快;放松侧温度也增大,但增大速率较慢;倾覆力矩会导致两列滚动体温度产生差异,选择合适的跨距可以减小倾覆力矩对轴承温度的影响。

弹性环式挤压油膜阻尼器一体化圆柱滚子轴承保持架振动特性分析

航空发动机主轴中滚动轴承为了降低系统振动经常与弹性环式挤压油膜阻尼器(elastic ring squeeze film damper, ERSFD)联合使用。基于滚动轴承动力学理论和流体力学控制方程,采用变步长积分算法建立圆柱滚子轴承与ERSFD耦合的动力学分析模型,对外圈带ERSFD的圆柱滚子轴承保持架振动特性和打滑率进行研究。研究结果表明:与未装配ERSFD的圆柱滚子轴承相比,ERSFD可以提高圆柱滚子轴承保持架的稳定性。过大或过小的弹性环凸台数量与宽度都不利于圆柱滚子轴承保持架的稳定性,需要选择合适的凸台数量和宽度。径向载荷与转速对带弹性环的圆柱滚子轴承保持架稳定性影响显著,保持架涡动频率的谐波次数随着径向载荷的增加而减少,其对应的幅值也减小;保持架涡动频率的谐波次数随着转速的增加而增加,其对应幅值也增加。

滚动球轴承局部故障引起滚珠负载振荡性分析

为深入剖析滚动球轴承局部故障对轴承整体振动特性的影响,利用Hertz接触理论构建了转子偏心力激励下的球轴承-转子系统动力学数字仿真模型,并结合深沟球轴承外圈、内圈、滚珠的局部故障引起的轴承间隙变化,推演了滚珠与各类故障区域间的冲击激励响应方程。在此基础上通过分析单点损伤引起的滚珠内部接触负载变化,揭示了单个滚珠接触应力对相邻滚子负载与系统整体振动特性的影响规律。通过分析轴承转动过程中有效承载滚珠个数的变化情况,建立了的滚珠负载占比时间对故障冲击振荡幅值的影响关系。分析结果表明,滚珠与故障区域的接触分离会使其负载发生振荡,且各故障状态下的振荡频率都为系统共振频率;在2个等效承载滚珠上的运转时间占比越大,故障冲击振荡的强度越大;各类型早期故障状态下的Poincaré映射点的保持在相同幅值附近;当局部故障程度增大到一定程度时,系统振动混沌特性增强,振动幅值相应增大。

滑动效应对球轴承滚动体缺陷频率影响的研究

在弹流润滑作用下,球轴承滑动效应引起的滚动体缺陷频率低于理论值,不利于对球轴承进行故障诊断,为此,建立了一种考虑弹流润滑作用下球轴承滑动效应的轴承动力学模型,研究了球轴承滑动效应对滚动体缺陷频率的影响。首先,基于轴承动力学理论和弹流润滑理论,分析了球轴承内各部件间的等效刚度与等效阻尼;然后,根据部件间受力关系,建立了考虑滑动效应的含滚动缺陷故障轴承动力学模型;最后,分析了弹流润滑作用下轴承滚动体与轴承内外圈间的滑动效应,获取了滑动效应对滚动体缺陷频率的影响,并通过试验对模型的正确性进行了验证。研究结果表明:由于球轴承滑动效应的存在,滚动体缺陷频率约为理论值的93.6%;通过增大载荷可抑制滑动效应对滚动体缺陷频率的影响,滚动体缺陷频率约为理论值的96.3%,但由于滑动效应始终存在,滚动体缺陷频率始终低于理论值。该研究结果为弹流润滑作用下球轴承的打滑抑制与故障诊断提供了参考依据,丰富了轴承故障动力学建模理论。

考虑圆度误差的角接触球轴承温升特性研究

以往有关于轴承温升特性的研究多注重轴承温升以及圆度误差对轴承振动的影响,其中圆度误差对轴承温升影响的文献较少,且研究对象多针对的是低速、轻载轴承的温升。为此,建立了考虑圆度误差、轴承预紧力、离心效应、热力耦合等影响的角接触球轴承热-力耦合模型,研究了轴承沟道圆度误差对轴承温升的影响规律。首先,以轴承拟动力学、弹流润滑理论、传热学理论和基尔霍夫能量守恒定律为基础,建立了考虑圆度误差、轴承预紧力、离心效应、热力耦合等影响的角接触球轴承热-力耦合模型;然后,利用模型分析了不同工况条件、圆度误差对轴承温升特性影响;最后,将模型计算结果与试验结果进行了比较,验证了角接触球轴承热-力耦合模型的合理性。研究结果表明:模型计算结果和实验结果相比,最大相对误差为5.37%;随着圆度误差阶次的增加,轴承温度呈现波动性变化,且随着转速的增加,波动趋势愈加显著;随着润滑油温度的升高,温度波动逐渐减小;当圆度误差的阶次等于球数n/2±2(n=1,2,3…)时,轴承外圈温度比不考虑圆度误差时要低,因此将圆度误差控制在特定阶次内能有效降低轴承温升,从而提高工作效率;轴承外圈温度的波动性与外圈圆度误差的幅值成正比,为轴承设计提供了重要参考;外圈温度与沟道圆度误差阶次之间呈周期性变化,并与钢球的个数形成映射关系,当圆度误差阶次等于球数的(2 n-1)/4倍(n=1,2,3…)时,轴承外圈温度达到最高;当圆度误差阶次等于球数的n/2倍(n=1,2,3…)时,轴承外圈温度最低,这一规律可为轴承的优化提供具体参考方向。

舰船角接触轴承的加速寿命动力学模型研究

以舰船四点角接触球轴承为研究对象,以轴承加速寿命为目标,在滚动轴承动力学、赫兹接触理论及弹性流体动力润滑理论基础上,综合考虑轴承各元件间相互作用、钢球与保持架间碰撞、轴承润滑状态等关键因素,建立四点接触球轴承动力学微分方程组,采用S-R变步长自适应积分算法求解动力学方程组。结合滚动轴承加速寿命理论,以动力学分析结果为边界输入,基于材料本构关系,使用Ansys以及nCode有限元分析软件建立四点角接触球轴承保持架疲劳寿命估计模型,根据确定的强化因子,采用改变负荷和转速的形式完成对轴承疲劳寿命的评估。研究表明,当量动负荷对轴承加速寿命的影响最大,其次是轴向负荷;转速和径向负荷对轴承加速寿命影响最小;转速对保持架寿命的影响最大。

流体动压滑动轴承-转子系统非线性动力特性及稳定性

根据油膜的物理特性,在动力积分、迭代过程中实时修正具有下游Reynolds边界条件的轴承流体润滑椭圆型变分方程,使其等价为变分不等式.运用八节点等参有限元方法,同时完成非线性油膜力及其Jacobian矩阵的计算.运用Newton-Raphson方法求得转子平衡点时,同时求得了作为副产品的轴承的刚度和阻尼系数.将预估-校正机理和Newton-Raphson方法相结合,提出了计算轴承-转子系统Hopf分岔点(对应于线性失稳转速)的方法.将预估-校正机理与Poincaré-Newton-Floquet方法相结合,分析了T周期运动的局部稳定性和分岔现象.结果表明,采用八节点等参有限元方法同时完成非线性油膜力及其Jacobian矩阵的计算时,同传统方法相比计算量减少,且精度协调一致;将预估-校正机理和Newton-Raphson方法相结合,可以方便地计算轴承-转子系统Hopf分岔点;将预估-校正机理与Poincaré-Newton-Floquet方法相结合,可以避免初值选取困难,快速求得系统周期解及其分岔点.所建立的计算方法具有省时、精度高等优点,可用于指导滑动轴承-转子系统设计.