高速滚动轴承保持架自由振动特性研究
高速滚动轴承动力学分析模型与保持架动态性能研究
高速滚动轴承动力学分析模型与保持架动态性能研究摘要：高速滚动轴承是工业领域中一种常见的关键部件，其性能对机械设备的精度和寿命具有重要影响。
本文基于高速滚动轴承的动力学分析和保持架的动态性能研究，探讨了高速滚动轴承的工作原理、动力学特性以及保持架在工作过程中的影响。
通过建立合理的动力学模型，结合实验数据进行验证和分析，可以为高速滚动轴承的工程应用提供理论支持和指导。
1. 引言高速滚动轴承作为机械设备中的重要部件之一，广泛应用于航空航天、汽车、机床等领域。
其主要作用是支撑和传递机械设备的载荷，并保持良好的旋转精度。
然而，由于工作环境的复杂性和高速旋转的特点，高速滚动轴承往往面临着较大的动力学问题和疲劳寿命的挑战。
因此，深入研究高速滚动轴承的动力学特性和保持架的动态性能具有重要意义。
2. 高速滚动轴承的工作原理和动力学特性高速滚动轴承的工作原理可以简述为：当外界载荷作用于轴承时，滚动体将承受载荷并传递给滚道，进而使滚动轴承整体旋转。
在该过程中，存在摩擦、磨损和温升等现象，这些都会影响轴承的运动学和动力学性能。
具体来说，高速滚动轴承的动力学特性可以通过以下几个方面来研究：(1) 轴承刚度：轴承的刚度是指在给定载荷下轴承产生的滑动量。
高速滚动轴承的刚度对于维持其旋转精度至关重要，因此需要考虑滚道、滚珠形状的设计以及润滑方式的选择等因素。
(2) 动载荷：轴承在工作过程中承受来自机械设备的动载荷。
这些动载荷会产生往复力和转矩，并且随着时间的变化而变化。
因此，了解轴承在不同工作条件下的动载荷分布对于轴承的设计和选型至关重要。
(3) 摩擦和磨损：高速滚动轴承的摩擦和磨损问题不可忽视。
摩擦和磨损的存在会导致能量损耗和寿命减少。
因此，需要采取适当的润滑方式和材料选择来减少摩擦和磨损。
3. 保持架的动态性能研究保持架作为高速滚动轴承的支撑装置，具有很大的影响力。
保持架的稳定性和刚度对于轴承的运动学和动力学性能至关重要。
滚动轴承保持架缺陷案例及其振动特征的原因分析
滚动轴承保持架缺陷案例及其振动特征的原因分析1.设备概况棒材生产线8架轧机减速机电机功率是630KW，轧制转速777rpm—955rpm（联调轧制）；一轴联轴端轴承型号为：352130。
测点分布如下：2.简述2019年4月12日发现8架减速机一轴联轴端双列圆锥轴承保持架缺陷，一直跟踪监测直到2019年4月29日更换减速机。
在跟踪的过程中我觉得这个测点加速度波形的变化很有意思，很值得拿来与大家讨论。
3.振动分析对了，补充一句，该测点温度未见明显异常。
列举2019年4月12日；4月16日；4月18日；4月23日；4月26日；4月28日一轴联轴端水平加速度波形图。
4月12日3Ha波形图，波形图中存在间隔为保持架特征频率的高频冲击。
4月16日3Ha波形图，间隔为保持架特征频率的冲击能量增长明显。
峰值能量达到121m/s²。
4月23日3Ha波形图，间隔为一轴转频的冲击开始崭露头角。
从4月23日开始，3Ha测点的通频值能量逐步升高。
4月26日3Ha波形图。
到4月26日间隔为一轴转频的能量已经很明显了。
且峰值能量升高。
4月28日3Ha波形图，这个时候波形图中满屏都是间隔为一轴转频的冲击。
如果测振周期正好落在这个时间断内，我们还能准确判断轴承缺陷的位置是保持架吗？4.检修验证先看验证结果，2019年4月29日更换减速机，线下解体，发现一轴联轴端双列圆锥轴承保持架每个兜口都磨损严重，内外滑道，滚动体未见明显缺陷。
5.关于滚动轴承保持架缺陷发展到后期所体现的加速度波形形态的一些想法。
当初比较幸运，可以在轴承保持架缺陷早期就通过测振发现其缺陷并观察保持架缺陷的劣化过程。
但如果测振周期正好落在了轴承保持架缺陷的后期（即4月28日的时间段），我们还能准确判断轴承缺陷位置是保持架吗？保持架的特征频率是保持架的旋转频率，也就是滚动体绕轴的公转频率。
所以在滚动轴承保持架早期缺陷时可以在加速度波形中看到间隔为保持架特征频率的高频冲击并不难理解。
高速圆柱滚子轴承保持架运行稳定性分析
高速圆柱滚子轴承保持架运行稳定性分析王自彬;邓四二;张文虎;黄晓敏【摘要】基于滚动轴承动力学理论,建立了高速圆柱滚子轴承的非线性动力学微分方程组,采用预估-校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法对其进行求解,使用盒维数评价保持架质心轨迹的混乱程度,研究了保持架间隙比、轴承转速、轴承径向载荷、轴承径向游隙以及滚子个数等因素对保持架运行稳定性的影响.研究结果表明:盒维数能够发现相似保持架心轨迹之间的差别,并对保持架稳定性进行量化描述;较大的保持架间隙比不利于保持架的稳定运行,存在最佳间隙比使保持架质心轨迹涡动效果最好,保持架运行最稳定;内圈转速较低时,保持架质心不发生涡动,质心轨迹非常混乱,保持架运行不稳定;随着转速、滚子个数的增加,保持架运行稳定性增加;随着径向载荷、径向游隙的增加,保持架运行稳定性先增大后减小.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)009【总页数】9页(P100-108)【关键词】圆柱滚子轴承;保持架运行稳定性;动力学;盒维数;保持架质心轨迹【作者】王自彬;邓四二;张文虎;黄晓敏【作者单位】河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003;辽宁重大装备制造协同创新中心,辽宁大连116024;河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003;重庆工业职业技术学院机械工程学院,重庆401120【正文语种】中文【中图分类】TH133高速圆柱滚子轴承以其优越的高速性能被广泛应用于航空发动机主轴。
高速圆柱滚子轴承保持架动态性能及可靠性直接影响着轴承的工作性能，其运动不稳定性会引起轴承早期失效[1]。
因此，有必要对影响高速圆柱滚子轴承保持架稳定性的关键因素进行分析，这对提高圆柱滚子轴承寿命及稳定性具有重要意义。
Ghaisas等[2]建立了六自由度圆柱滚子轴承动力学模型，通过保持架质心速度标准偏差比评价保持架稳定性，分析了保持架设计参数、内圈转速、滚子直径以及保持架不对称性对保持架运行稳定性的影响；Gupta[3-5]研究了保持架兜孔间隙、轴承动载荷、润滑剂、保持架不平衡量对保持架动态稳定性的影响；Meeks[6]建立了保持架的6自由度动力学模型，对保持架的设计参数进行了优化，改善了保持架的稳定性；Rivera[7]建立了简化的保持架分析模型，并指出滚动体与保持架之间的相互作用力是导致保持架运动不稳定的主要原因；Tada[8]发现减小保持架兜孔间隙和引导间隙可以有效降低由于保持架运动不稳定引起的噪声；Takafumi 等[9]考虑了润滑油非牛顿流体特性和滚子与滚道间热效应，分析了转速、载荷对保持架打滑率的影响；Zhang等[10]建立了高速圆柱滚子轴承动力学模型，研究了四种航空润滑油对保持架质心轨迹的影响，并使用庞加莱图分析了保持架运行稳定性；邓四二等[11]建立了高速圆柱滚子轴承动力学微分方程，对保持架动力学特性进行了理论分析，研究了保持架引导方式、间隙比对保持架质心轨迹及其打滑率的影响；刘秀海等[12]建立了高速圆柱滚子轴承动力学模型，研究了轴承转速、载荷、游隙等对保持架质心运动轨迹的影响；姜维等[13]针对电机专用轴承进行了试验研究，通过电机电流和声音判断保持架稳定性；黄迪山[14]针对微型轴承实体保持架，研究其质心轨迹的检测信号时域分析特点，分析了载荷大小及加载方式对其质心轨迹的影响及时变特征，并讨论了盒维数、滤波、保持架变形对涡动描述的影响。
高速圆柱滚子轴承保持架振动特性研究
高速圆柱滚子轴承保持架振动特性研究张文虎; 胡余生; 邓四二; 徐嘉; 胡永乐【期刊名称】《《振动与冲击》》【年(卷),期】2019(038)022【总页数】10页(P85-94)【关键词】高速圆柱滚子轴承; 动力学; 保持架; 振动特性; 振动加速度【作者】张文虎; 胡余生; 邓四二; 徐嘉; 胡永乐【作者单位】河南科技大学机电工程学院河南洛阳471003; 空调设备及系统运行节能国家重点实验室广东珠海519000【正文语种】中文【中图分类】TH133圆柱滚子轴承由于较小的摩擦因数、优良的高速性能等优点，被广泛应用于航空发动机主轴、齿轮箱、机器人变速装置等机械传动系统中。
对于高速运转的圆柱滚子轴承，滚子与保持架之间的频繁碰撞与摩擦将引起保持架的振动。
研究表明：在高转速下，由于滚子对保持架的频繁碰撞与摩擦引起的保持架振动往往是引起保持架失效的主要原因之一[1-2]。
因此，对于高速圆柱滚子轴承保持架振动特性的研究就显得非常重要。
国内外学者对滚动轴承保持架进行了广泛研究：Gupta[3-4]采用古典微分方程的方法建立了圆柱滚子轴承的动力学分析模型，研究了稳定工况下保持架的打滑和运行稳定性；立石佳男等[5]用三个涡流式传感器检测角接触球轴承保持架X，Y，Z方向的振动位移，测定在各种不同工作条件(转速、载荷、润滑及间隙)下的保持架涡动；Ghaisas等[6]基于简化的润滑剂拖动模型，研究了保持架兜孔间隙、引导间隙、滚子直径及内圈倾斜角对保持架涡动轨迹和保持架速度偏差比的影响，并使用保持架速度偏差评定保持架的稳定性； Selvaraj等[7]用试验方法分析了诸如转速、径向载荷、润滑油黏度、滚子个数和轴承温度等因素对圆柱滚子轴承保持架打滑的影响。
研究结果表明：对于高速轴承，轴承元件动态的不稳定性是造成轴承失效的主要原因。
Stevents[8]通过试验研究了角接触球轴承保持架的不稳定性。
结果表明：保持架的不稳定表现为径向的高频振动。
滚动轴承振动信号特性分析
滚动轴承振动信号特性分析滚动轴承是一种常见的机械元件，在机械系统中起到支撑转动轴承、减少摩擦和传递载荷的作用。
然而，由于长期使用或其他原因，滚动轴承可能会出现一些故障，如疲劳破坏、过度磨损和松动等。
因此，滚动轴承的振动信号特性分析对于故障检测和预测具有重要的意义。
滚动轴承的振动信号是由于内外圈的滚珠与滚道之间的相对运动而产生的，这些振动信号可以通过加速度传感器等设备进行采集。
基于振动信号的特性分析，可以帮助我们了解滚动轴承在运行过程中的状况，从而判断是否存在故障。
下面将从不同的角度分析滚动轴承振动信号的特性。
首先，可以从时间域来分析滚动轴承的振动信号特性。
利用时间域信号，可以直观地观察到滚动轴承振动信号的波形变化。
通过观察振动信号的幅值和周期，可以初步判断是否存在异常。
通常情况下，正常的滚动轴承振动信号应该是稳定和准周期的。
如果出现振动信号的幅值波动较大或周期不规则，可能表示滚动轴承存在故障。
其次，可以从频域来分析滚动轴承的振动信号特性。
频域分析可以将信号从时域转换为频域，通过频谱图来观察不同频率分量的强度。
通过对滚动轴承振动信号进行傅里叶变换，可以得到其频谱图。
正常的滚动轴承振动信号的频谱图应该是窄带的，且主要集中在轴承的基频和谐波频率上。
如果出现频谱图突然增加了一些频率分量，可能表示滚动轴承存在故障，如滚珠松动、内圈或外圈的损伤等。
此外，滚动轴承的振动信号还可以通过时频分析方法进行特性分析。
时频分析可以将信号的时域信息和频域信息进行联合分析，可以观察到信号在时间和频率上的变化。
通过应用时频分析方法，如短时傅里叶变换（STFT）和小波变换，可以查看滚动轴承振动信号在时间和频率上的瞬态和局部特性。
这种分析方法可以帮助我们检测滚动轴承振动信号的瞬态特征和突变情况，提高故障检测和预测的准确性。
最后，滚动轴承的振动信号特性还可以通过统计学方法进行分析。
通过统计学参数，如均值、标准差和峭度等，可以观察滚动轴承振动信号的集中程度、离散程度和峰态等特性。
高速滚动轴承动态性能分析的研究进展探析
高速滚动轴承动态性能分析的研究进展探析摘要：本文基于高速滚动轴承动态性能分析理论基础，通过建立动力学有限元模型，对轴承动态等效应力、速度特性和振动特性等研究进展进行综合探析，分析目前研究中不足和进展，不断提升轴承产品质量，从而满足我国工业发展对高性能滚动轴承的高质量需求。
关键词：高速滚动轴承；动力学；动态特性分析；研究进展随着我国航空航天和装备制造业蓬勃发展，对其中关键零件滚动轴承的精度、性能、寿命、可靠性等提出了更高要求，尤其动态性能对保持架稳定性的控制，成为人们关注重点和主要研究方向。
在这其中，保持架不稳定或者断裂是高速滚动轴承动态性能失效的一个主要形式。
本文对高速滚动轴承动态性能分析的研究进展进行深入探析，了解润滑剂损失、保持架稳定涡动机理、磨损零件几何参数变化等因素造成的影响，探寻优化保持架动态性能措施。
1高速滚动轴承动态性能分析理论基础高速滚动轴承是机械装置中传递运动和承受负载重要支撑零件，主要通过滚动体和内外滚道之间的滚动接触支撑旋转部件，在我国航空航天、数控机床、国防技术等领域广泛应用[1]。
但同时，滚动轴承也是引发机械设备故障失效主要因素之一，有超过30%的机械设备故障原因为轴承故障，高速滚动轴承故障将进一步增加轴承振动频率，倘若不及时发现和排除故障，很有可能引发重大设备故障。
高速滚动轴承有轴承内/外圈、滚动体和保持架组成，整体结构看似简单，实际上包含复杂耦合关系和接触关系，且轴承工作条件和工作用途不同，轴承结构也会适当变化[2]。
滚动轴承性能指标主要有刚度、摩擦力矩、振动、最小油膜厚度、噪声、轴承发热等，均会因温升、磨损、润滑和摩擦等因素，导致高速滚动轴承出现磨损失效、接触疲劳失效、断裂失效、腐蚀失效、胶合失效、压痕失效、间隙变化失效故障，导致轴承性能退化。
由此可知，高速滚动轴承的失效与轴承发热状态、接触应力及润滑状态之间的关系，为后续分析高速滚动轴承动态性能提供理论依据。
2高速滚动轴承动态性能分析高速滚动轴承是我国高精度数控机床主轴传动系统重要组件，其性能及运行状态直接影响数控机床整体运行性能和工作效率，一旦主轴运转速度过高，就会引发轴承滚动体和滚道接触应力、形变的改变，继而对主轴运行状态造成影响。
滚动轴承的应力与振动性能分析
滚动轴承的应力与振动性能分析滚动轴承是一种常见的机械元件，广泛应用于各种机械设备中。
在使用过程中，滚动轴承的应力和振动性能对其工作效率和寿命有着重要影响。
因此，对滚动轴承的应力和振动性能进行分析和评估，对于提高其工作效率和延长使用寿命具有重要意义。
首先，我们来分析滚动轴承的应力分布情况。
滚动轴承在工作时承受着来自外界的载荷，这些载荷会导致滚动体和滚道之间的接触应力。
接触应力的大小取决于载荷的大小和分布情况，以及滚动体和滚道的材料性质和几何形状。
一般来说，滚动轴承的接触应力集中在滚动体和滚道的接触点附近，这是由于载荷的传递方式和滚动体与滚道的接触形式决定的。
接下来，我们来讨论滚动轴承的振动性能。
滚动轴承在工作时会产生振动，这是由于滚动体和滚道之间的相对运动引起的。
滚动轴承的振动性能对其工作效率和寿命有着直接影响。
一般来说，滚动轴承的振动主要包括径向振动和轴向振动两种类型。
径向振动是指滚动轴承在垂直于轴线方向上的振动，而轴向振动是指滚动轴承在轴线方向上的振动。
滚动轴承的振动主要受到载荷、转速、润滑状态和滚动体与滚道之间的接触状况等因素的影响。
为了评估滚动轴承的应力和振动性能，可以采用一些常用的方法和技术。
例如，可以使用应力分析软件对滚动轴承的应力分布进行模拟和计算。
通过这种方法，可以得到滚动轴承在不同载荷和工况下的应力分布情况，从而评估其承载能力和工作寿命。
此外，还可以使用振动分析仪对滚动轴承的振动进行监测和分析。
通过对滚动轴承振动信号的采集和处理，可以得到滚动轴承在不同工况下的振动特征，从而评估其振动性能和运行状态。
在实际应用中，需要根据具体的工况和要求，对滚动轴承的应力和振动性能进行合理的分析和评估。
例如，在高速旋转设备中，滚动轴承的应力和振动性能对设备的安全运行和寿命有着重要影响。
因此，需要采取一些措施，如优化设计、选用合适的材料和润滑方式等，来降低滚动轴承的应力和振动，提高其工作效率和寿命。
滚动轴承的振动形式及振动机理的研究
滚动轴承的振动形式及振动机理的研究滚动轴承是一种常见的机械元件，广泛应用于各种设备和机械系统中。
然而，滚动轴承在使用过程中常常会产生振动，这不仅会影响设备的正常运行，还会导致设备寿命的缩短。
因此，研究滚动轴承的振动形式及振动机理对于提高设备的可靠性和性能具有重要意义。
我们来探讨滚动轴承的振动形式。
滚动轴承的振动主要表现为径向振动和轴向振动两种形式。
径向振动是指滚动轴承在工作过程中产生的轴向位移，它可能由于滚动体与滚道之间的不匹配或轴承内部结构的不均匀等原因而引起。
轴向振动则是指滚动轴承在工作过程中产生的周向位移，它可能由于滚动体与保持架之间的不匹配或轴承内部结构的不均匀等原因而引起。
接下来，我们来研究滚动轴承振动的机理。
滚动轴承的振动源于多个因素的综合作用。
首先，滚动轴承在工作时承受着来自外部负载的力，这些力会引起滚动轴承的变形和位移，从而产生振动。
其次，滚动轴承内部的滚动体和保持架之间存在着摩擦力和碰撞力，这些力的作用也会导致滚动轴承的振动。
此外，滚动轴承的材料和制造工艺也会对其振动特性产生影响。
例如，滚动轴承的材料硬度不均匀或制造工艺不精细都会导致振动的增加。
为了研究滚动轴承的振动形式及振动机理，研究人员通常会采用实验方法和数值模拟方法进行研究。
实验方法通过在滚动轴承上安装加速度传感器等装置，测量滚动轴承的振动信号，并进行信号分析和处理，从而得到滚动轴承的振动特性。
数值模拟方法则是利用计算机模拟滚动轴承的工作过程，通过对滚动轴承内部力学和动力学特性的建模和计算，预测和分析滚动轴承的振动行为。
通过研究滚动轴承的振动形式及振动机理，可以帮助人们更好地理解滚动轴承的工作原理和振动特性，为改善滚动轴承的设计和制造提供理论依据和技术支持。
例如，可以通过优化滚动轴承的结构和材料，减小滚动轴承的振动幅值和频率，提高滚动轴承的工作效率和寿命。
此外，还可以通过改进滚动轴承的润滑和冷却方式，减少滚动轴承的热量和摩擦，从而降低滚动轴承的振动水平。
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收稿日期:2000203202 作者简介:周延泽(1964-),男,河北海兴人,在职博士生,100083,北京.高速滚动轴承保持架自由振动特性研究周延泽 王春洁 陆 震(北京航空航天大学机械工程及自动化学院) 摘 要:通过对航空发动机主轴承保持架自由振动的计算分析,表明:保持架不存在小于751.12H z 的固有频率;在整体按圆环的规律振动的同时,过梁和侧梁存在弯曲、剪切等局部振型;由于保持架的转动,存在不相等且与转动速度相关的前后行波频率,保持架可能共振的频率数目增多,而保持架又受到多种周期性的干扰,高速转动时更易激发共振,造成破坏,因此在设计中必须对保持架的振动问题给予重视.关 键 词:滚动轴承;保持架;自由振动中图分类号:TH 133.33+4文献标识码:A 文章编号:100125965(2001)0520596204 保持架作为滚动轴承的组成元件,将滚动体沿圆周均匀地分开.在一般用途的轴承中,由于转速较低,保持架都能够满足工作要求.但是在航空发动机主轴承中,由于工作条件苛刻,转速高,对保持架也提出了较高的要求,特别是其动力特性直接影响到滚动轴承的性能和寿命.空军某机型主轴球轴承就曾多次发生过因保持架疲劳断裂造成的轴承失效,因此在设计中需要对保持架的动力学性能进行较为精确的计算和估计.国外在这方面的研究主要关注的是保持架的运动与不稳定性问题[1]～[4],国内的研究比较少,对于其振动方面的研究则鲜见报道.航空发动机主轴承保持架一般为整体结构,为增大轴承承载能力和减轻重量,滚动体较多,滚动体间的距离较小,因而保持架结构柔性较大易变形;由于沿圆周方向质量不均匀,变形沿周向也不均匀;高速旋转的保持架类似于圆环,有圆环平面内的振动,同时有在垂直于环的平面内弯曲与扭转振动;由于采用套圈导引,因此变形受到限制,为约束振动,在振动分析中必须考虑相应的约束条件;激发振动的因素很多,其中球、套圈对保持架的冲击碰撞是直接因素,且规律比较复杂.保持架的各种振动将引起动应力,从而影响到其疲劳寿命,为此有必要对其振动特性进行研究.本文用有限元法对保持架在自由状态下的自由振动特性进行了研究.1 保持架的自由振动1.1 计算模型以某航空发动机主轴球轴承为例进行计算分析.轴承参数为:内孔直径90mm ,滚动体数14,滚动体直径22.225mm ,保持架材料为青铜合金,弹性模量E =1.05×1011Pa ,泊松比0.33.有限元动力分析程序很多,本文采用Alg or (有限元计算程序)程序计算.考虑到保持架的形状及局部振型,有限元模型网格划分较密,共分为1008个8节点三维块单元,2296个节点.保持架在工作过程中,由外圈引导转动,计算中取自由边界条件.本文计算了其前50阶自由振动的频率及相应的振动模态,由此可以研究其共振、变形及应力状态.1.2 自由振动模态保持架是圆环类零件,其振动具有环类零件振动[5]的特征,将计算结果进行归纳,其振动模态主要有以下几类.1)环平面内的弯曲振动,即环平面内保持架沿圆周方向规则变形,如图1所示为周向波数n 分别为2,3,4时的模态.表1是计算得到的部分面内弯曲振动频率.因为保持架在圆环平面内的弯曲刚度较小,所以振动频率较低,因而在实际应用中也比较容易被激发,研究也最多.这种弯曲振2001年10月第27卷第5期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics October 2001V ol.27 N o 15动将在保持架横截面内产生交变的弯曲应力. a n =2 b n =3 c n =4图1 面内的弯曲振动2)面外扭转振动,如图2所示是计算得到的保持架整体倾斜和伞形振动两种模态及其频率f .整体倾斜将对过梁产生剪切作用,梁截面承受剪应力,而伞形振动则对侧梁产生拉压作用,梁截面承受循环正应力.a 整体倾斜,f =5675.8H z b 伞形振动,f =7829.9H z图2 面外扭转振动 3)沿圆周方向的弯曲振动与扭转振动的耦合.如图3所示为频率较低的周向波数分别为2,3,4时的模态,部分振动频率列在表2,这种模态是环横断面扭转与母线轴向振动的耦合振动.由于扭转作用,在保持架的横截面上产生径向剪切,而母线沿轴向位移的弯曲会产生轴向剪切和弯曲应力,这两种剪切使侧梁截面上的应力状态变得复杂;兜孔的存在又消弱了其周围的刚度和强度,剪切对兜孔侧梁处的强度可能有较大影响,同时其振动频率也比较低,最低频率仅高于面内弯曲,在低于5075.1H z 的频段内,这种模态与面内弯曲振动交替出现,也比较容易激发,应给予足够重视.a n =2b n =3c n =4图3 弯扭耦合振动表1 面内振动频率周向波数n 234567频率f /H z751.122101.903960.506244.408831.8010985.0012638.00表2 面外弯曲扭转耦合振动周向波数n 2345频率f /H z1121.75277.03018.96318.75075.18021.66939.310252.04)周向伸缩与侧梁、过梁弯曲耦合振动.周向伸缩也是圆环类零件振动的基本模态之一,但是对于保持架来说,由于其结构特点,在整体上周向伸缩的同时伴随着侧梁和过梁的局部弯曲.图4所示是其中3种模态从两个方向观察的形状及其对应的频率,其中图4a 为沿圆周均匀伸缩.a f =6594.3H zb f =9654.3H zc f =11481.0H z图4 伸缩与梁弯曲耦合振动从图4中可以看出,伴随着周向的伸缩,侧梁和过梁发生弯曲.周向伸缩和梁的弯曲变形叠加使侧梁截面上的正应力加大,过梁的弯曲则产生对称交变应力.这种振动的频率较高,由此引起的变形对于侧梁和过梁均有影响.5)保持架两端面发生相对转动.这种振动中,保持架两端面相对转动,使其母线在垂直于半径的面扭转,如图5所示.振动变形将对过梁产生剪切,同时侧梁有弯曲,如果这种振动被激发,影响最大的是过梁的强度.f =9123.0H z图5 两端面相对扭转振动1.3 结果分析从以上计算结果可以看出,保持架自由振动具有以下特性:795第5期 周延泽等:高速滚动轴承保持架自由振动特性研究1)由于保持架的结构特点,兜孔减弱了其刚度和强度,特别是航空发动机主轴承,设计中追求体积小,重量轻,过梁和侧梁结构尺寸均较小,使保持架在整体上按圆环振动的同时,尚有局部振型———侧梁、过梁的弯曲与剪切.2)保持架的各种振型中,变形引起的应力对保持架侧梁和过梁影响最大,不同变形的共同作用,使侧梁和过梁截面上应力状态复杂化,既有正应力,也有剪应力.如果产生共振,由振动应力造成的疲劳裂纹,可能首先从侧梁与过梁的位置开始,因此保持架的破坏一般发生在过梁和侧梁处.3)保持架所承受的各种外载荷,一般对侧梁的作用较大,但振动变形对过梁和侧梁都有影响,个别模态如1.2节中第4)、5)类振动模态中过梁的局部弯曲和扭剪,主要作用在过梁截面上,反复作用可能导致过梁断裂,这可能是常见的过梁疲劳失效的重要原因之一.4)除接近0的频率外,小于751.12H z的范围内该保持架没有固有频率,因此在低频段不会发生共振,故低速运转的轴承一般较少发生保持架破坏.2 保持架的行波共振分析2.1 保持架的行波振动 圆环类零件振动中,任一节径(线)不动的沿周向振动波,总可以分解为两个频率和原振动频率相等,振幅为原振幅一半,运动方向相反的行波,分别称为前行波和后行波.因此,不论观察到的振动波是否运动,此类零件的振动都具有行波振动的性质.如果零件是转动的,则行波频率还需考虑转动频率的影响[6].如果转动矢量与变形方向一致,则前、后行波的角频率为ωf,b=ω±nΩ(1)其中,ω为保持架的静角频;Ω为保持架的转速.如果转动矢量与变形方向不一致,还要考虑转动引起的科氏力的影响,如面内弯曲振动,在静止坐标系中观察,前、后行波角频率分别为ωf,b=ωd±n2-1n2+1nΩ(2)其中,转动的圆环的固有角频率为ω2d=ω2+ BΩ2,B=n2(n2-1)2(n2+1),为动频系数.保持架是圆环类零件,其振动也必然可以分解为前、后行波,具有行波振动的性质;特别是保持架的工作状态是转动,除个别模态外,转动矢量与变形方向都不一致,转动时的固有频率与静止时的固有频率会略有不同,同时前、后行波的频率也各不相等,而且动频及前、后行波频率是随着保持架转动速度的不同而变化的.表3是表1中所列保持架静频在其转速为581.5rad/s时的动频及前、后行波频率.表3 面内振动频率HZ振动频率f周向波数n234567静频751.122101.903960.506244.408831.8010985.0012638.00动频759.292113.603973.956258.998847.4111002.5912653.29前行波870.342335.724300.586686.139372.6811624.5113275.21后行波648.231891.493647.315831.858322.1410380.6712031.372.2 共振分析由于保持架的转动,其前、后行波频率以及固有频率各不相等,而且前、后行波振动都可能被单独激发,因此外加激励频率与前行波或后行波频率相等时,都将激发共振,这使得可能激发保持架共振的频率数目大大高于静止的或没有行波振动的零件,从而增大了共振的可能性;前、后行波频率随保持架的转速而变化,轴承的工作转速不同,将会有不同的前、后行波频率;在工作过程中,保持架与轴承其它零件间的作用是复杂的,且具有周期性,可能存在多种频率的相互作用,特别是影响球与保持架碰撞的因素很多,一周中可能有多次碰撞冲击,这些都是可能引发各种频率振动的潜在激励源.综上所述,行波振动的存在、发动机的复杂多变的工况、滚动轴承内部零件对保持架的作用,使保持架发生共振的概率大大高于固定不动或没有行波振动的零件.共振及其产生的交变应力直接影响保持架的工作稳定性与强度,是导致保持架失效的重要原因,进而影响滚动轴承的工作性能和寿命,必须在设计时就引起关注.3 结 论1)所计算的保持架在小于751.12H z的范围895北京航空航天大学学报 2001年内没有固有频率,因此在低频段不会发生共振,故低速运转的轴承一般较少发生保持架破坏.2)由于航空发动机主轴承保持架的结构特点,其振动在整体上具有环振动的特点,同时存在过梁和侧梁的局部振型,这些变形使过梁和侧梁截面上的应力状态复杂化,是影响保持架强度和寿命的重要因素.3)外界激励频率与前、后行波频率相等时都会激发共振,转动的保持架的前、后行波频率不等,且与工作转速相关,使可能引起保持架共振的频率数目大大增加,更易引发共振.4)滚道、球等对保持架的作用规律是复杂的,如球/保持架间的互相作用在一周内可能多次,具有很大的不确定性和一定的周期性,是保持架振动的潜在的激励源.因此,高速运转的航空发动机主轴承在设计和实验中,必须考虑保持架的振动对其性能和强度的影响,以提高滚动轴承的设计质量.参 考 文 献[1]K annel J W ,Bupara S S.A sim plified m odel of cage m otion in angu 2lar contact bearings operating in the EH D lubrication regime [J ].T ransactions of the AS ME:Journal of Lubrication T 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element method ,the free vibration performance of the retainer is examined.The results show that :1)Apart from rigid 2body m otion ,there isno natural frequency less than 751.12H z for the examined retainer.2)With the retainer vibrating like a ring as a whole ,it has s ome local vibration m odes of side and across beams.3)The rotation of the retainer makes its natural frequency ,front 2and back 2m oving vibration frequencies unequal with each other ,which makes its res onance being excited easier.K ey words :antifriction bearings ;retainers ;free vibration995第5期 周延泽等:高速滚动轴承保持架自由振动特性研究。