高速滾子軸承保持架碰撞動力學分析

高速滾子軸承保持架碰撞動力學分析

在高速和滿載條件下工作時，軸承的徑向載載極不均勻，存在較大的非載載區(qū)。此時,滾動體的運動也不均勻,滾動體與保持架之間會發(fā)生碰撞現象。在這種工況下,軸承失效主要是軸承元件的動態(tài)不穩(wěn)定性造成的,而保持架運動不穩(wěn)定更是一個關鍵的因素。因而研究高速滾動軸承元件間的動態(tài)穩(wěn)定性問題,尤其是保持架的運動狀態(tài),對于提高高速軸承壽命、改進設計都有十分重要的意義。多年來,國內外眾多學者對此問題進行了大量的研究,在高速球軸承動力學分析中得出很多結果本文主要針對滾子軸承在高速輕載下,軸承中的載荷和滾動體速度分布不均勻,考慮承載區(qū)與非承載區(qū)中保持架與滾子之間的相互作用,以及保持架與引導擋邊和非引導面之間的作用關系,建立保持架碰撞動力學模型。1保持架動態(tài)模型1.1保持架動力學方程當保持架在軸承徑向平面內運動時,根據環(huán)形圓柱體的平面運動Newtond定律,在保持架慣性坐標系(x,y)中,作用在保持架上的力(兜孔與滾子作用力、引導面作用力以及流體阻力)應滿足下列動力學方程式中φ——兜孔徑向摩擦力——兜孔法向接觸力——兜孔法向阻尼力——兜孔法向彈性碰撞力——兜孔接觸區(qū)力矩WWJ△x,△y——保持架質心位移θ——保持架轉角在(1)式中,除兜孔作用力外,其余各作用力都已經確定1.2碰撞與保持架運動由于滾子與保持架兜孔之間是一種半自由接觸狀態(tài),當滾子的公轉角速度與保持架的角速度不一致時,滾子與保持架兜孔之間會發(fā)生碰撞。這種碰撞有時會加速保持架,推動保持架運動;有時會減速保持架,阻礙保持架運動,因此作用力非常復雜。不失一般性,將作用力分為兩部分:一部分為穩(wěn)態(tài)作用力,它由接觸力和流體摩擦組成(F阻尼力Hζ——滾子與保持架間隙碰撞副粘滯阻尼系數uEωV-滾子與保持架相對線速度α——系數L彈性碰撞力δ——滾子與保持架相對位移△t-碰撞時間1.3保持架在碰撞情況下的運動特性在上面的模型中,碰撞力F式中F由于保持架與滾子速度大小不完全一致,導致碰撞發(fā)生。碰撞的結果是保持架的速度發(fā)生改變,表現為保持架整個運動過程中速度出現波動。因而本文在解方程時,將碰撞力沖量的作用加在保持架質心的速度項上,進行迭代求解,從而真實反映保持架質心碰撞后的速度變化情況。2保持架動力學方程為了求解保持架的動力學運動方程,需要求解軸承整體運動平衡方程。將軸承平衡方程整理如下(1)套圈受力平衡方程(2)滾子運動微分方程式中P——外力M——外力矩Q——接觸法向力F—保持架兜孔作用力m-作用力矩分析上述各方程,包含了套圈的四個未知量、保持架的三個未知量及每個滾子的五個未知量,總未知量的個數為5Z+7個(Z為滾子數)。方程的總數也是5Z+7個,原則上說聯立求解這些方程就可以獲得所有未知量。然而由于軸承系統運動的復雜性,反映在方程組中就是其高度非線性,這給求解帶來非常大的困難,常出現解的不穩(wěn)定,不收斂等。另外,當滾子數量較多時方程的階數會很高,求解要花費大量的時間。為克服這些困難,分別采用不同的模式來求解。對(5)式采用Newton-Raphson(N-R)迭代法,而求解(6)式時采用Broyden迭代法在保持架運動微分方程(1)式求解中,先根據滾子的穩(wěn)態(tài)作用力求解保持架穩(wěn)態(tài)方程,得出其穩(wěn)態(tài)參數,然后在時間域內對(1)式積分,得出其瞬態(tài)參數解。求解方法采用4階Runge-Kutta法。為便于分析,對保持架運動微分方程中的變量進行無量綱化,令△3保持架質心運動特性選擇8D1032920NQ軸承(外形尺寸為:d=100mm,D=140mm,B=20mm),工作條件為:徑向載荷F(1)圖2顯示的是保持架質心速度隨時間的變化規(guī)律。在不同的時刻速度的變化是波動、跳躍的,它反映了碰撞效應的存在。隨著保持架質心偏移r(2)改變保持架的某些結構參數后,計算的結果如圖3～圖5所示。由圖3可知,隨著軸承實際工作徑向游隙C(3)隨著保持架引導間隙C(4)由圖5可知,ε=r4保持架穩(wěn)態(tài)運動條件下的質心運動區(qū)域特征在分析保持架與套圈、滾子、流體之間相互作用的基礎上,著重分析了保持架與滾子之間的碰撞影響。采用模糊碰撞模型,獲得了影響保持架運動穩(wěn)定性的各因素,從而對高速滾子軸承的失效分析,采取有效措施減少軸承的失效,以及提高軸承的使用壽命和可靠性提供了指導依據。分析計算結果可以得出下列結論:(1)保持架在穩(wěn)態(tài)運動條件下,其質心運動區(qū)域為一種環(huán)形區(qū)域,區(qū)域形狀由軸承結構參數和各種條件決定。而不穩(wěn)定狀態(tài)時的質心運動區(qū)域形狀不規(guī)則甚至出現分叉現象。(2)軸承工作徑向游隙C(3)保持架引導面間隙C(4)保持架兜孔間隙與引導間隙