高速滚子轴承保持架碰撞动力学分析

高速滚子轴承保持架碰撞动力学分析

在高速和满载条件下工作时，轴承的径向载载极不均匀，存在较大的非载载区。此时,滚动体的运动也不均匀,滚动体与保持架之间会发生碰撞现象。在这种工况下,轴承失效主要是轴承元件的动态不稳定性造成的,而保持架运动不稳定更是一个关键的因素。因而研究高速滚动轴承元件间的动态稳定性问题,尤其是保持架的运动状态,对于提高高速轴承寿命、改进设计都有十分重要的意义。多年来,国内外众多学者对此问题进行了大量的研究,在高速球轴承动力学分析中得出很多结果本文主要针对滚子轴承在高速轻载下,轴承中的载荷和滚动体速度分布不均匀,考虑承载区与非承载区中保持架与滚子之间的相互作用,以及保持架与引导挡边和非引导面之间的作用关系,建立保持架碰撞动力学模型。1保持架动态模型1.1保持架动力学方程当保持架在轴承径向平面内运动时,根据环形圆柱体的平面运动Newtond定律,在保持架惯性坐标系(x,y)中,作用在保持架上的力(兜孔与滚子作用力、引导面作用力以及流体阻力)应满足下列动力学方程式中φ——兜孔径向摩擦力——兜孔法向接触力——兜孔法向阻尼力——兜孔法向弹性碰撞力——兜孔接触区力矩WWJ△x,△y——保持架质心位移θ——保持架转角在(1)式中,除兜孔作用力外,其余各作用力都已经确定1.2碰撞与保持架运动由于滚子与保持架兜孔之间是一种半自由接触状态,当滚子的公转角速度与保持架的角速度不一致时,滚子与保持架兜孔之间会发生碰撞。这种碰撞有时会加速保持架,推动保持架运动;有时会减速保持架,阻碍保持架运动,因此作用力非常复杂。不失一般性,将作用力分为两部分:一部分为稳态作用力,它由接触力和流体摩擦组成(F阻尼力Hζ——滚子与保持架间隙碰撞副粘滞阻尼系数uEωV-滚子与保持架相对线速度α——系数L弹性碰撞力δ——滚子与保持架相对位移△t-碰撞时间1.3保持架在碰撞情况下的运动特性在上面的模型中,碰撞力F式中F由于保持架与滚子速度大小不完全一致,导致碰撞发生。碰撞的结果是保持架的速度发生改变,表现为保持架整个运动过程中速度出现波动。因而本文在解方程时,将碰撞力冲量的作用加在保持架质心的速度项上,进行迭代求解,从而真实反映保持架质心碰撞后的速度变化情况。2保持架动力学方程为了求解保持架的动力学运动方程,需要求解轴承整体运动平衡方程。将轴承平衡方程整理如下(1)套圈受力平衡方程(2)滚子运动微分方程式中P——外力M——外力矩Q——接触法向力F—保持架兜孔作用力m-作用力矩分析上述各方程,包含了套圈的四个未知量、保持架的三个未知量及每个滚子的五个未知量,总未知量的个数为5Z+7个(Z为滚子数)。方程的总数也是5Z+7个,原则上说联立求解这些方程就可以获得所有未知量。然而由于轴承系统运动的复杂性,反映在方程组中就是其高度非线性,这给求解带来非常大的困难,常出现解的不稳定,不收敛等。另外,当滚子数量较多时方程的阶数会很高,求解要花费大量的时间。为克服这些困难,分别采用不同的模式来求解。对(5)式采用Newton-Raphson(N-R)迭代法,而求解(6)式时采用Broyden迭代法在保持架运动微分方程(1)式求解中,先根据滚子的稳态作用力求解保持架稳态方程,得出其稳态参数,然后在时间域内对(1)式积分,得出其瞬态参数解。求解方法采用4阶Runge-Kutta法。为便于分析,对保持架运动微分方程中的变量进行无量纲化,令△3保持架质心运动特性选择8D1032920NQ轴承(外形尺寸为:d=100mm,D=140mm,B=20mm),工作条件为:径向载荷F(1)图2显示的是保持架质心速度随时间的变化规律。在不同的时刻速度的变化是波动、跳跃的,它反映了碰撞效应的存在。随着保持架质心偏移r(2)改变保持架的某些结构参数后,计算的结果如图3～图5所示。由图3可知,随着轴承实际工作径向游隙C(3)随着保持架引导间隙C(4)由图5可知,ε=r4保持架稳态运动条件下的质心运动区域特征在分析保持架与套圈、滚子、流体之间相互作用的基础上,着重分析了保持架与滚子之间的碰撞影响。采用模糊碰撞模型,获得了影响保持架运动稳定性的各因素,从而对高速滚子轴承的失效分析,采取有效措施减少轴承的失效,以及提高轴承的使用寿命和可靠性提供了指导依据。分析计算结果可以得出下列结论:(1)保持架在稳态运动条件下,其质心运动区域为一种环形区域,区域形状由轴承结构参数和各种条件决定。而不稳定状态时的质心运动区域形状不规则甚至出现分叉现象。(2)轴承工作径向游隙C(3)保持架引导面间隙C(4)保持架兜孔间隙与引导间隙