三瓣波滚道圆柱滚子轴承动态性能研究

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对于航空发动机用高速圆柱滚子轴承,高速、轻载工况常常会使轴承在运转过程中出现严重的打滑现象,造成轴承的早期失效。将圆柱滚子轴承的外滚道设计为非圆的三瓣波滚道,人为的对轴承的非承载区域施加一定的预紧力,是解决轴承轻载打滑问题的有效方法之一。目前有关三瓣波滚道圆柱滚子轴承方面的研究较少,几乎不涉及其动态特性方面的理论研究,而作为航空发动机主轴的关键支承元件,轴承的动态性能直接影响着飞行器的安全性与可靠性,因此,对三瓣波滚道圆柱滚子轴承的动态性能进行研究是一个非常必要的课题。  为了研究三瓣波滚道圆柱滚子轴承的动态性能,首先需要对三瓣波滚道的结构参数特点进行分析。本文采用套圈预变形加工原理,利用有限元分析软件ANSYS建立了三瓣波滚道圆柱滚子轴承的外圈分析模型,研究了理想与非理想加工条件下,三瓣波滚道的波瓣形状变化规律,并根据分析结果建立了三瓣波滚道的波形计算模型。然后结合赫兹接触理论与弹性流体动力润滑理论,利用得到的三瓣波滚道波形,建立了三瓣波滚道圆柱滚子轴承内部各元件间的相互作用力数学模型,并基于滚动轴承动力学理论建立了三瓣波滚道圆柱滚子轴承的动力学微分方程组。最后利用机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS建立三瓣波滚道圆柱滚子轴承的虚拟样机模型,采用 FORTRAN语言编写轴承元件相互作用力子程序,并通过 GSTIFF变步长积分算法对三瓣波滚道圆柱滚子轴承动力学微分方程组进行求解,完成三瓣波滚道圆柱滚子轴承动力学仿真模型的建立。  本文以某型号三瓣波滚道圆柱滚子轴承为例,研究了滚道结构参数、工况参数与安装方式等因素对三瓣波滚道圆柱滚子轴承的载荷分布、保持架打滑及轴承振动性能的影响,并根据轴承使用时的寿命及打滑要求给出了三瓣波滚道结构参数的公差设计推荐值,最后对部分仿真结果进行了验证。研究结果表明:1三瓣波滚道的波形形状可由滚道轮廓最低点直径与滚道轮廓高低点间差值两个参数决定;2对于三瓣波滚道圆柱滚子轴承,随着滚道轮廓最低点直径的增加,轴承的承载区面积与最大滚动体载荷逐渐减小,保持架打滑率与轴承额定寿命逐渐增加,轴承振动呈先减小后增大的趋势;3随着滚道轮廓高低点间差值的增加,三瓣波滚道圆柱滚子轴承的承载范围减小,保持架打滑率、额定寿命及轴承振动均增加;4在高速条件下,三瓣波滚道圆柱滚子轴承的载荷分布特性变化很小,保持架打滑率与轴承振动均随内圈转速的增加而增加,且增加幅度与三瓣波滚道轮廓最低点直径相关;5随着径向载荷的增加,三瓣波滚道圆柱滚子轴承的载荷分布范围与最大滚动体载荷逐渐增加,保持架打滑率逐渐减小,轴承振动呈先增大再减小然后继续增大的趋势;6随着三瓣波滚道轮廓最低点直径所在基圆圆度误差的增加,轴承的最大滚动体载荷与保持架打滑率逐渐增加,轴承额定寿命逐渐减小;7随着外圈安装旋转角在一个周期内增加,轴承载荷分布更加均匀,最大滚动体载荷减小,保持架打滑率基本不变,轴承额定寿命出现小幅度提高。
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