高速圆柱滚予轴承保持架运动分析

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在高速滚动轴承中，保持架的动态性能对轴承的整体性能具有重要的影响，如高频的保持架涡动可引起啸叫和扭矩的波动，使轴承过早失效。因此有必要对轴承保持架动态性能进行研究。保持架动态性能的分析与保持架动力学建模密不可分。伴随着轴承向高速化发展，保持架本身的问题Et益突出㈣，特别是保持架的质心运动分析引起高度重视。Kingsbu 立了保持架涡动模型，并分析了保持架涡动的产生机理，但对保持架涡动的影响因素及其影响大小的研究却较少。Guptat5 主要对固体润滑的滚动轴承进行研究，而对油润滑轴承的保持架研究却相对较少。Meekst 21只对保持架的受力和磨损进行了研究。而Saka c -.It3]和立石佳男Ⅱ 保持架动态运动的研究所针对的轴承速度较低。国外对保持架的研究比较全面，而国内对保持架32 航 空 发 动 机 第 39卷的动态性能的研究主要集中在保持架打滑分析 峋，并主要是对载荷和转速的影响等方面，对保持架质心运动的研究还相对较少，且处于起步阶段，大部分研究还是基于滚动轴承拟动力学模型的分析mq。

本文以油润滑的高速圆柱滚子轴承为研究对象 ，建立高速圆柱滚子轴承的动力学模型，对保持架的动态运动l生能进行仿真分析，并研究不同转速、载荷和游隙对保持架动态性能的影响。

1 高速圆柱滚子轴承动力学模型1.1 基本假设为便于和简化计算，本文对高速滚子轴承的动力学模型做以下假设：(1)设轴承各零件为刚体，忽略柔性变形。若零件接触时，产生局部变形，变形为弹性变形。

(2)滚子具有五个自由度：滚子质心的公转、径向运动、滚子绕定自身中心轴的自转、以及滚子的倾斜和歪斜。

(3)保持架具有3个自由度，保持架质心在轴承径向平面内移动和绕自身中心轴转动。

(4)内圈具有 5个自由度，内圈质心在径向平面内的平动以及绕中心轴的转动和绕径向平面内垂直轴线的倾斜，但这-倾斜不是时变的，是固定值。外圈可绕轴线转动。

(5)保持架兜孔的形状为矩形，轴承各零件的形心与质心重合。

1.2 动力学模型的建立和求解为了准确表达滚子轴承各零件的动态状况以及在相互作用时零件的各种局部作用力和运动关系，建立不同的坐标系统，如图 1所示。

在不同的坐标系中，计算轴承内部各零件间的相互作用，包括滚子与滚道、 图1 圆柱滚子轴承滚子与保持架，保持架与套 坐标系统圈的相互作用力以及润滑油的黏性阻力，进而建立高速圆柱滚子轴承的动力学模型，详见文献[22]。

保持架质心的运动在惯性直角坐标系中描述，圆柱滚子轴承保持架质心的运动微分方程为∑ cw-cr'V- -∑F - - - m c式中： 、 、 为保持架与引导套圈的作用力向量分量； 、 、 分别为保持架与第k个滚子作用力的向量分量；n为滚子数。

由于只考虑保持架绕中心轴线的旋转，保持架绕自身质心旋转的运动微分方程为M M(2)式中： 为保持架与引导套圈的作用力矩向量；为保持架与第k个滚子作用力矩的向量分量； 为保持架绕 轴的转动惯量。

由给定的各轴承零件的几何形状和运动条件以及位置的初始估计值，首先进行拟静力学分析，得到运动微分方程积分的初始条件- 各零件的相对位置和运动状态。初始条件已知，由各零件的相对位置及运动关系对几何相互作用进行分析，利用文献[221中的模型公式计算作用在各零件上的外力和外力矩。求得作用在每个零件上的力和力矩，然后采用 Runge-Kuta法对运动微分方程积分求解，得到各瞬时点的位置和运动参数向量。

2 计算结果与分析以329 1 6轴承为例研究圆柱滚子轴承的保持架质心运动。轴承的主要参数见表l。

2.1 转速对保持架质心运动的影响当径向载荷-定时(5000 N)，保持架在不同转速下的质心运动轨迹如图2所示 (所有的质心位置都进行归-化处理，归-化的标尺为保持架的引导半径间隙，后面的相同)。2种典型(12000 r/min和30000 r/min工况下)的保持架质心位移在径向单坐标方向随时间的变化如图3所示。

从图2中可见，在低速时，保持架质心的运动集中第 2期 刘秀海等：高速圆柱滚子轴承保持架运动分析 37无量纲化的质心位置 Y(e) -0.O1无 量纲 化的质 心位置 Y(d) 0.02图7 内圈转速 30000 r/min时不同游隙时保持架的质心轨迹从图6、7中可见，当内圈转速为 12000 r/min时，在径向游隙较大时，保持架质心轨迹集中于-点，保持架运动稳定，随着径向游隙的减少，保持架质心沿旋转方向下移。这是因为保持架受到的阻力和拖动力都较小，不能促使保持架产生涡动，当径向游隙减少，保持架的打滑减少，转速增加，受到的阻力矩增加，使保持架质心沿旋转方向下移。当径向游隙为负，轴承的受载区域逐渐达到整个圆周，使滚子与保持架兜孔间几何位置耦合，促使保持架发生涡动。当内圈转速为30000 r/min时，不同径向游隙下保持架的质心都处于涡动状态，并且游隙越小，涡动越严重、则涡动稳定性越好，只不过是从初始状态到达稳定状态所需要的计算时间越长。游隙越小，滚子与保持架兜孔间的几何位置耦合越强，保持架涡动越严重，质心轨迹变化也较小，稳定性越好。

油润滑的圆柱滚子保持架的质心运动在转速较高(30000 r/min)时，保持架涡动，且随游隙的增加而稳定性变差，这与 Ghaisas等1241分析得到的固体润滑的圆柱滚子轴承的保持架运动稳定性规律相类似。

3 结论(1)对于高速圆柱滚子轴承，速度对轴承质心运动的状态具有决定性作用，在低速时，保持架质心的运动集中于-狭窄区域，当转速增加到-定值时，保持架的质心开始产生涡动。速度越高涡动稳定性越好。

当径向游隙为负，保持架发生涡动；在超高速状态下，游隙越小，涡动越严重，但涡动稳定性越好。

(4)本文的研究为高速圆柱滚子轴承的动态性能分析提供了-定的技术支持和理论依据。在此基础上还可对高速圆柱滚子轴承相关的动态性能进行更深入的研究。