滚动轴承打滑研究综述与展望

伴随旋转机械系统向高转速、高精度和高可靠性发展,滚动轴承作为基础零部件之一是旋转机械系统非常重要的组成部分。而轴承打滑行为严重影响了旋转机械系统的稳定性、运行精度和服役寿命,因此针对滚动轴承打滑特性及运动机制的研究已成为国内外学者讨论的热点话题。研究工作介绍了滚动轴承的打滑运动机制以及损伤形式,详细总结了滚动轴承打滑的研究方法以及滚动轴承的打滑因素。最后,针对滚动轴承打滑特性的研究方法(试验法、动力学仿真)和打滑因素(工况、结构、装配参数以及故障轴承)的研究现状、不足及未来发展方向进行了探讨。

加速过程角接触球轴承保持架动态特性分析

角接触球轴承是数控机床进给系统中的重要零部件,其加速过程转速的变化对其动态性能影响很大。以角接触球轴承7603025为研究对象,建立了角接触球轴承的多刚体动力学分析模型。采用Adams对角接触球轴承在不同径向载荷、轴向载荷和角加速度条件下的加速过程进行了动态仿真,研究了径向载荷、轴向载荷和角加速度三个工况参数对其加速过程保持架的转速、质心轨迹,以及单个滚球与保持架接触力等动态特性的影响,并进行了实验验证。研究结果表明,径向载荷与角加速度的增大会导致滚球对保持架冲击力变大,从而造成加速过程中保持架转速的波动变大和保持架质心运动不平稳;轴向载荷的增大会导致滚球对保持架碰撞力变小,从而使得加速过程中保持架转速的波动变小和保持架质心运动更平稳。仿真结果与实验结果吻合良好,验证了所建立的动力学分析模型的有效性。

基于滚动体打滑特征的滚动轴承振动特性研究

滚动体进入承载区打滑是滚动轴承工作过程中客观存在的一种现象,是诱发滚动轴承振动的一个重要激励源,影响滚动轴承的振动特性。针对滚动体进入承载区的打滑问题,综合考虑滚动轴承时变刚度、游隙、载荷及打滑激励等因素,建立了滚动轴承打滑振动分析模型,研究滚动体打滑状态下滚动轴承的振动特征,分析轴承转速、径向载荷、摩擦因数和打滑范围角等因素对滚动轴承打滑振动特性的影响规律,为滚动轴承的设计、减振降噪与故障诊断提供理论依据。

基于显式动力学的深沟球轴承弹性接触动态应力研究

滚动轴承是机械工业的重要基础件,其内部的动态应力状态对其寿命有着重大影响。针对滚动轴承内部弹性非线性接触的特点,以深沟球轴承6304为研究对象,建立了深沟球轴承全柔体弹性接触非线性动态有限元分析模型,采用显式动力学有限元法对深沟球轴承进行了转动过程非线性接触动态仿真,获得了深沟球轴承的运动学特性和轴承内部应力在轴承转动过程中的动态变化的特点和规律。结果表明,显式动力学有限元法可在满足高精度要求情况下求解滚动轴承内部的动态应力,为进一步研究滚动轴承的承载能力和寿命提供了有力的分析方法。

轿车白车身有限元模型修正研究

有限元模型与实际结构的一致性影响着CAE分析的可靠性。以典型点焊薄板件为例,分别采用刚性梁单元和等效板两种方式对结合面连接刚度进行了修正方法研究,并将研究方法成功应用于某轿车白车身的有限元模型上。修正后有限元模型的分析结果与试验结果基本一致。

基于数值模拟的螺旋进气道结构优化

以实际产品为研究对象,将三维数值模拟方法应用于柴油机螺旋进气道的改进设计中。通过数值模拟,获得了该气道内气体的流速、压力及湍动能等特性参数的分布,并计算了出口处的流量系数和绕竖直轴线的转矩。结果表明:该气道的流通性能很好但产生涡流的能力还可以进一步提高;在三维流动分析基础上提出了一系列的改进措施;对比各种改进措施下的模拟计算结果,发现在不减小流量系数的前提下,适当地增加螺旋腔室定义曲线相对气门凸台中心线的距离和增大涡壳角相结合的方法可以明显提高产生涡流的能力,是一种有效而又合理的改进办法。

子弹侵彻猪下颌骨飞溅过程的数值模拟

为克服传统有限元法不能很好地模拟高速碰撞中材料的大变形和飞溅问题,针对子弹侵彻下颌骨过程,提出了一种碎骨飞溅的模拟方法,即节点分离-耦合法。以猪下颌骨为例,采用六面体网格建立子弹侵彻猪下颌骨有限元模型,采用节点分离-耦合法,通过定义材料失效应变值和节点失效约束来实现单元的失效和分离,对高速子弹侵彻猪下颌骨飞溅过程进行了数值模拟,分析猪下颌骨在侵彻过程中的飞溅形态、飞溅单元分布及速度等。结果表明,仿真结果与实验数据吻合良好,该方法能较好地模拟下颌骨的飞溅过程,为骨头子弹伤的生物力学特性和损伤机理研究提供了一种新的思路和方法。

基于滑移非理想赫兹接触的滚动轴承振动特性分析

传统方法对滚动轴承振动特性的分析大部分是基于理想赫兹接触理论,然而当轴承发生打滑,滚动体与滚道会出现滑移现象,因此滚动体与滚道的滑移接触问题超出了Hertz理论的假设范畴。针对这一问题,提出了滚动体与内、外滚道的滑移非理想赫兹接触,通过理论分析和接触有限元模型获得载荷-变形公式和变形系数;基于滑移非理想赫兹接触理论建立圆柱滚子轴承动力学模型,对比分析了赫兹和滑移接触对轴承振动特性的影响规律。研究表明:滑移接触下轴承振动信号存在滞后现象,在低速工况时,轴承振动水平相比赫兹接触的振动水平较高,而在高速工况中轴承振动水平相比较低;同时滑移非理想赫兹相较与赫兹理论,进一步考虑接触面相对滑移的作用,与轴承的实际工况更为贴近。

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。

载荷波动工况下滚动轴承接触特性分析

为研究变载工况下滚动轴承内部接触特性,在考虑轴承运动部件动态效应的基础上,采用非线性弹簧模拟滚子与保持架的相互作用,建立了圆柱滚子轴承动力学模型。运用4阶定步长Runge-Kutta算法对运动微分方程组进行求解,获得了变幅值、变频率下内圈与滚子接触特性及其影响规律以及不同形式周期波动载荷作用下保持架动态接触特性。研究结果表明:滚子与保持架前端碰撞主要发生在承载区,后端碰撞主要发生在非承载区;随波动幅值的增加,承载区中间区域滚子与内圈接触力增大而进出承载区时影响较小;低频载荷作用下内圈质心轨迹较为集中,随波动频率的增加,内圈载荷呈现缓慢增大的趋势同时内圈存在下移趋势,高频载荷作用下内圈质心轨迹紊乱分散,内圈与滚子接触不稳定,内圈质心在竖直方向呈现震荡趋势。载荷波动时滚子与保持架前端碰撞程度加剧,周期性波动载荷作用下承载区保持架碰撞力峰值从大到小依次是方波、正弦波、三角波、稳定工况。

滚动轴承稳定工况下的滚动体打滑动力学分析

打滑是造成滚动轴承表面擦伤甚至失效的重要原因,目前滚动轴承打滑的研究主要集中在恶劣工况,而对正常稳定工况下滚动体的打滑问题关注甚少。针对正常稳定工况下滚动体的打滑问题,考虑径向游隙、保持架兜孔间隙等非线性因素,基于线性压缩弹簧建立滚动体-保持架作用模型,采用分段线性函数描述摩擦因数与滑移速度的关系,建立滚动体打滑非线性动力学模型,分析滚动体在轴承运转过程中的打滑机理及工况参数对滚动体打滑的影响机理。研究结果表明:滚动体在承载区的前段存在急加速现象,存在相对较严重的打滑;滚动体与外圈的滑动相比内圈更严重;轴承转速的增加会增大承载区前段滚动体的打滑速度;载荷增加会降低滚动体打滑程度,缩小滚动体打滑范围。

转速波动工况滚动轴承打滑动力学特性分析

滚动轴承实际运转过程中经常存在的转速波动现象,对滚动轴承的运行状态产生重要影响。基于Hertz接触理论和变形-位移相容条件建立滚动体与套圈的相互作用模型,采用非线性弹簧模拟滚动体与保持架间的相互作用,建立了转速波动工况下滚动轴承打滑动力学模型。通过与实验测试结果的对比,验证了所提出的动力学模型的正确性,并在此基础上分析了转速波动对滚动轴承打滑的影响及不同转速波动幅值、频率下滚动轴承的打滑特性。结果表明:轴承转速波动会造成保持架转速出现波动,导致轴承出现打滑,且滑动主要出现在滚动体与内圈之间;转速波动幅值对轴承打滑影响较大而频率影响较小。

转速波动条件下圆柱滚子轴承动态特性分析

滚动轴承动态特性的研究目前主要集中在稳定工况,但转速波动存在于许多旋转机械设备中,将对滚动轴承的动态性能产生重要影响。以圆柱滚子轴承NU306为研究对象,建立了圆柱滚子轴承的塑性材料柔性接触的非线性动态有限元模型,采用显式动力学LS-DYNA对其在三种不同转速波动形式(矩形波动、正弦波动和随机波动)下的非线性运行过程进行了动态仿真,获得了圆柱滚子轴承在转速波动工况下的保持架角速度曲线和打滑率曲线,以及滚子与内圈、保持架的接触力曲线。将稳定工况下圆柱滚子轴承的有限元解与其解析解进行对比,验证了所建立有限元模型的有效性。结果表明:内圈转速的角加速度越大,保持架角速度曲线和打滑率曲线波动越剧烈且严重时可能产生负打滑率;转速波动主要通过改变承载区滚子与保持架间的接触力来影响保持架的稳定性,并且转速波动可能会加大承载区范围,使单个滚子承载力峰值减小。

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。

加速工况下滚动轴承动态载荷特性研究

滚动轴承运动部件的动态效应将对滚动轴承的载荷分布及其性能产生重要作用,特别是在变速工况下。以深沟球轴承为研究对象,考虑轴承游隙、滚动体离心力与重力、内圈和滚动体的动态效应等,建立了滚动轴承动力学分析模型,对加速工况下滚动轴承的运行过程进行了动力学仿真,分析了径向载荷作用下滚动体动态载荷分布特性及其机理,并揭示了游隙、内圈质量和角加速度对滚动体动态载荷的影响。研究结果表明:加速工况下滚动体的载荷分布曲线不再沿载荷作用线对称且出现不同程度的波动,尤其是在加速过程的后期;滚动体的最大接触载荷在加速过程初期基本保持不变,而在后期波动上升,加速过程中内圈的不稳定运动是导致滚动体接触载荷发生变化的主要原因;加速过程中动态载荷的变化程度随着径向游隙和内圈质量的增加而增大,而角加速度的增加使得加速过程后期的动态载荷变化愈加剧烈。本文结果可为滚动轴承载荷计算与设计提供理论依据。

角接触球轴承在减速过程中的保持架动态特性分析

减速过程普遍存在于数控机床进给系统中,该过程转速的变化对角接触球轴承动态性能的影响甚大,然而国内外对此关注甚少。以角接触球轴承7603025为研究对象,建立了角接触球轴承的多刚体动力学模型。利用Adams软件分析了径向力、轴向力和角加速度3个工况参数对角接触球轴承减速过程中保持架的转速与质心轨迹,以及单个滚球与保持架接触力等动态特性的影响。研究结果表明,径向力的增大、轴向力的减小和角加速度的增大会导致角接触球轴承在减速过程中的滚球与保持架之间碰撞力增大,从而造成轴承打滑、保持架晃动加剧,以及保持架转速曲线波动变大。

汽车前保险杠碰撞过程动力学仿真与分析

前保险杠是汽车正碰主要吸能部件,在很大程度上决定了汽车的耐撞性与安全性。针对汽车碰撞过程中前保险杠的大变形和非线性接触问题,建立了某款国产轿车前保险杠(包括:保险杠、吸能盒和纵梁)与刚性墙碰撞有限元模型。采用分段线性塑性材料本构模型和显式动力学有限元法对其碰撞过程进行动态仿真,获得了保险杠、吸能盒和纵梁的变形情况、能量变化情况以及碰撞力曲线。仿真结果与实验结果吻合良好,从而验证了有限元模型正确性。结果表明,槽型诱导结构比盒型诱导结构更容易诱导纵梁产生褶皱变形,且碰撞力曲线随纵梁的褶皱变形产生波动。

启停阶段圆柱滚子轴承动态特性分析

启停过程普遍存在于旋转机械设备中,该过程转速的变化对滚动轴承动态性能的影响甚大,然而启停阶段滚动轴承动态特性的研究相对缺乏。以圆柱滚子轴承NU306为研究对象,建立了圆柱滚子轴承非线性接触的三维动态有限元模型。采用显式动力学有限元法对圆柱滚子轴承在不同角加速度和径向载荷条件下的启停过程进行了动态仿真,研究了角加速度和径向载荷两个工况参数对其启停阶段保持架角速度、内圈质心位移,以及所有滚子与保持架接触力等动态特性的影响,并进行了实验验证。研究结果表明,内圈角加速度的增大会加重滚动轴承启停过程的打滑,而径向力的增大会减小滚动轴承启停过程的打滑;在启停阶段,角加速度和径向力愈大,则内圈质心位移以及滚子与保持架接触力越大。仿真结果与实验结果吻合良好,验证了所建立有限元模型的有效性。

诱导结构对汽车前纵梁碰撞性能的影响

前纵梁作为汽车正碰的主要吸能部件,其诱导结构对耐撞性有着重要影响。针对汽车前纵梁正碰过程中的高速压溃塑性变形问题,建立了6种诱导结构周向位置及5种诱导结构组合形式的前纵梁与刚性墙碰撞有限元模型,采用分段线性塑性材料本构模型和显式动力学有限元法对其碰撞过程进行动态仿真,获得了前纵梁的变形情况、能量变化情况和碰撞力曲线,分析了诱导结构周向位置及其组合形式对前纵梁碰撞性能的影响。研究结果表明:诱导结构的周向位置及组合形式对前纵梁变形的影响较大,添加诱导结构可减小碰撞力峰值和增大载荷比,前纵梁刚度强弱相间分布可提高其碰撞过程的稳定性。仿真变形结果与试验结果吻合良好,验证了所建立的有限元模型的正确性。

截面形状对汽车前纵梁碰撞性能的影响分析

前纵梁是汽车正碰主要吸能部件,在很大程度上决定了汽车的碰撞性能与安全性。为研究汽车前纵梁的碰撞性能,建立了两种材料(钢和铝)及五种不同截面形式(U形、长方形、正方形、六边形和圆形)的前纵梁与刚性墙碰撞有限元模型。采用分段线性塑性材料本构模型和显式动力学算法对其碰撞过程进行动态仿真,获得了前纵梁的变形情况、能量变化情况和碰撞力曲线,分析了不同截面形式及材料类型对前纵梁碰撞性能的影响,为前纵梁的结构设计与优化提供了一定的理论依据。