角接觸球軸承保持架動力學特性及其試驗研究.pdf

1、滾動軸承是重大裝備的重要基礎零部件，其性能與壽命直接影響裝備的工作性能、可靠性和安全性。保持架作為滾動軸承的核心部件，其動力學特性決定著軸承的性能和壽命。保持架運動不穩(wěn)定導致軸承保持架磨損、斷裂等問題十分突出，是目前迫切需要解決的工程難題。軸承保持架動力學特性影響因素較多，機理十分復雜，目前對于復雜載荷、間隙變化、不平衡等條件下保持架運動變化的理論與試驗分析仍然存在許多挑戰(zhàn)，對其影響規(guī)律認識不足。因此，開展?jié)L動軸承保持架動力學特性及其試

2、驗研究，具有重要的科學意義和工程應用價值。
　　本文以角接觸球軸承為研究對象，提出了保持架動力學建模與分析方法，研制了保持架運動測試試驗系統(tǒng)，采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法，研究了負載、保持架間隙、保持架不平衡、轉(zhuǎn)子不平衡等因素對軸承保持架運動特性的影響，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力學模型，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;進而推導出保持架和鋼球

3、的運動微分方程以及內(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力學方程組，獲得了保持架動力學特性理論分析方法，并通過典型實例分析驗證了方法的準確性與有效性。
　　提出了保持架空間運動的非接觸測試方法，在設計搭建復雜載荷模擬的滾動軸承試驗器上，采用原位測量盤與軸承座布置電渦流傳感器，實現(xiàn)了角接觸球軸承保持架徑向和軸向運動測試;通過試驗獲得了典型工況下保持架運動的時域波形、頻譜、質(zhì)心運動

4、軌跡特征，明確了保持架運動特征，并與動力學模型仿真結(jié)果進行對比，測試結(jié)果與仿真分析一致，進一步驗證了動力學模型的準確性。
　　研究了轉(zhuǎn)速和負載（包括軸向載荷、徑向載荷和彎矩）對角接觸球軸承保持架運動的影響并進行了試驗對比，揭示了復雜載荷條件下保持架質(zhì)心運動軌跡及頻率幅值變化規(guī)律。理論分析與實測結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速和軸向載荷的增加，保持架質(zhì)心運動軌跡由不規(guī)則形狀趨于規(guī)則的圓形，且運動軌跡半徑增加;而隨著徑向載荷和彎矩的增加，保持架質(zhì)心

5、運動軌跡由規(guī)則圓形渦動轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則甚至混亂軌跡，運動穩(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力學模型進行了兜孔間隙和引導間隙對保持架運動的影響分析，并通過試驗測試獲得了不同引導間隙和兜孔間隙條件下保持架質(zhì)心運動軌跡及頻率幅值變化規(guī)律。理論分析與試驗測試一致，結(jié)果表明，引導間隙與兜孔間隙直接影響保持架的運動。隨著引導間隙增加，保持架質(zhì)心運動逐漸由不規(guī)則運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則穩(wěn)定的渦動;而隨著兜孔間隙的增加，保持架渦動軌

6、跡逐漸呈現(xiàn)復雜、不規(guī)則特征。通過觀察試驗后的保持架表面磨損狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)增加引導間隙及兜孔間隙可以降低保持架引導面的磨損。
　　利用所建立的軸承保持架動力學模型，理論分析了保持架不平衡時保持架運動與磨損變化規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，并通過試驗獲得了保持架帶有附加不平衡時的運動以及磨損特征。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)心運動軌跡逐漸變得規(guī)則且軌跡半徑增大，軸向及徑向運動幅值特別是保持架頻率對應的幅值逐漸增大，同時保持架引導面

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自由度動力學模型，并將解析獲得的轉(zhuǎn)軸對支點隨時間變化的作用力作為軸承的外負載，進一步分析了保持架的運動特性。通過對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中軸承保持架運動的測試，獲得了不同轉(zhuǎn)子不平衡工況下的保持架質(zhì)心運動軌跡、時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，保持架運動中內(nèi)圈頻率、保持架與內(nèi)圈耦合頻率對應的幅值呈增加趨勢，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力學模型，考慮了保持架不平衡影響，對保持架動力學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動測試技術，實現(xiàn)了保持架的原位測試和多種復雜載荷條件下的保持架運動變化測試;開展理論分析和模型試驗研究，獲得了轉(zhuǎn)速及負載、保持架間隙及自身的不平衡變化等對保持架運動的影響規(guī)律，以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡對軸承保持架運動的影響規(guī)律。本文的研究工作