角接觸球軸承保持架動(dòng)力學(xué)特性及其試驗(yàn)研究.pdf

1、滾動(dòng)軸承是重大裝備的重要基礎(chǔ)零部件，其性能與壽命直接影響裝備的工作性能、可靠性和安全性。保持架作為滾動(dòng)軸承的核心部件，其動(dòng)力學(xué)特性決定著軸承的性能和壽命。保持架運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定導(dǎo)致軸承保持架磨損、斷裂等問(wèn)題十分突出，是目前迫切需要解決的工程難題。軸承保持架動(dòng)力學(xué)特性影響因素較多，機(jī)理十分復(fù)雜，目前對(duì)于復(fù)雜載荷、間隙變化、不平衡等條件下保持架運(yùn)動(dòng)變化的理論與試驗(yàn)分析仍然存在許多挑戰(zhàn)，對(duì)其影響規(guī)律認(rèn)識(shí)不足。因此，開(kāi)展?jié)L動(dòng)軸承保持架動(dòng)力學(xué)特性及其試

2、驗(yàn)研究，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以角接觸球軸承為研究對(duì)象，提出了保持架動(dòng)力學(xué)建模與分析方法，研制了保持架運(yùn)動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了負(fù)載、保持架間隙、保持架不平衡、轉(zhuǎn)子不平衡等因素對(duì)軸承保持架運(yùn)動(dòng)特性的影響，取得的主要研究成果如下:
　　建立了包含保持架三自由度的角接觸球軸承動(dòng)力學(xué)模型，模型中考慮保持架與鋼球、套圈間的相互作用，并引入了保持架不平衡力;進(jìn)而推導(dǎo)出保持架和鋼球

3、的運(yùn)動(dòng)微分方程以及內(nèi)圈平衡方程;提出采用Newton-Raphson和Newmark-β相結(jié)合的方法求解軸承動(dòng)力學(xué)方程組，獲得了保持架動(dòng)力學(xué)特性理論分析方法，并通過(guò)典型實(shí)例分析驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性與有效性。
　　提出了保持架空間運(yùn)動(dòng)的非接觸測(cè)試方法，在設(shè)計(jì)搭建復(fù)雜載荷模擬的滾動(dòng)軸承試驗(yàn)器上，采用原位測(cè)量盤(pán)與軸承座布置電渦流傳感器，實(shí)現(xiàn)了角接觸球軸承保持架徑向和軸向運(yùn)動(dòng)測(cè)試;通過(guò)試驗(yàn)獲得了典型工況下保持架運(yùn)動(dòng)的時(shí)域波形、頻譜、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)

4、軌跡特征，明確了保持架運(yùn)動(dòng)特征，并與動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果與仿真分析一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。
　　研究了轉(zhuǎn)速和負(fù)載（包括軸向載荷、徑向載荷和彎矩）對(duì)角接觸球軸承保持架運(yùn)動(dòng)的影響并進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，揭示了復(fù)雜載荷條件下保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡及頻率幅值變化規(guī)律。理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速和軸向載荷的增加，保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡由不規(guī)則形狀趨于規(guī)則的圓形，且運(yùn)動(dòng)軌跡半徑增加;而隨著徑向載荷和彎矩的增加，保持架質(zhì)心

5、運(yùn)動(dòng)軌跡由規(guī)則圓形渦動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則甚至混亂軌跡，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性變差，并且軌跡半徑減小。
　　基于所建立的角接觸球軸承動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了兜孔間隙和引導(dǎo)間隙對(duì)保持架運(yùn)動(dòng)的影響分析，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得了不同引導(dǎo)間隙和兜孔間隙條件下保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡及頻率幅值變化規(guī)律。理論分析與試驗(yàn)測(cè)試一致，結(jié)果表明，引導(dǎo)間隙與兜孔間隙直接影響保持架的運(yùn)動(dòng)。隨著引導(dǎo)間隙增加，保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)逐漸由不規(guī)則運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則穩(wěn)定的渦動(dòng);而隨著兜孔間隙的增加，保持架渦動(dòng)軌

6、跡逐漸呈現(xiàn)復(fù)雜、不規(guī)則特征。通過(guò)觀察試驗(yàn)后的保持架表面磨損狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)增加引導(dǎo)間隙及兜孔間隙可以降低保持架引導(dǎo)面的磨損。
　　利用所建立的軸承保持架動(dòng)力學(xué)模型，理論分析了保持架不平衡時(shí)保持架運(yùn)動(dòng)與磨損變化規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，并通過(guò)試驗(yàn)獲得了保持架帶有附加不平衡時(shí)的運(yùn)動(dòng)以及磨損特征。結(jié)果表明，隨著保持架附加不平衡質(zhì)量的增加，保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸變得規(guī)則且軌跡半徑增大，軸向及徑向運(yùn)動(dòng)幅值特別是保持架頻率對(duì)應(yīng)的幅值逐漸增大，同時(shí)保持架引導(dǎo)面

7、的磨損程度也隨之增加。
　　基于Lagrange能量法建立了考慮轉(zhuǎn)子不平衡的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的4自由度動(dòng)力學(xué)模型，并將解析獲得的轉(zhuǎn)軸對(duì)支點(diǎn)隨時(shí)間變化的作用力作為軸承的外負(fù)載，進(jìn)一步分析了保持架的運(yùn)動(dòng)特性。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中軸承保持架運(yùn)動(dòng)的測(cè)試，獲得了不同轉(zhuǎn)子不平衡工況下的保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡、時(shí)域和頻譜特征及其變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)子不平衡量的增加，保持架運(yùn)動(dòng)中內(nèi)圈頻率、保持架與內(nèi)圈耦合頻率對(duì)應(yīng)的幅值呈增加趨勢(shì)，保持架質(zhì)心軌跡

8、由規(guī)則圓形演變?yōu)榛靵y的不規(guī)則形狀。
　　本文建立了角接觸球軸承的動(dòng)力學(xué)模型，考慮了保持架不平衡影響，對(duì)保持架動(dòng)力學(xué)特性分析更為合理與有效;突破了軸承本體與安裝結(jié)構(gòu)空間受限條件下的角接觸球軸承保持架運(yùn)動(dòng)測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了保持架的原位測(cè)試和多種復(fù)雜載荷條件下的保持架運(yùn)動(dòng)變化測(cè)試;開(kāi)展理論分析和模型試驗(yàn)研究，獲得了轉(zhuǎn)速及負(fù)載、保持架間隙及自身的不平衡變化等對(duì)保持架運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡對(duì)軸承保持架運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。本文的研究工作