超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性研究

發布時間：2021-10-23所屬分類：免費文獻瀏覽：1次

摘 要： 內燃機與配件

《超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性研究》論文發表期刊：《

內燃機與配件

》；發表周期：2021年17期

《超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性研究》論文作者信息：楊文飛（1984-），男，安徽亳州人，研究方向為先進制造業技術及軸承塑料保持架應用。

　　摘要：本文采用文獻法和仿真法，研究了超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性。文章的研究思路為：首先，建立了球軸承多體動力學模型;其次，分析了保持架穩定性實例;最后，為了驗證模型的可行性，進行了仿真測試。仿真結果表明，測試的超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性良好，達到了預期的效果。

　　Abstract：In this paper，literature method and simulation method are used to study the stability of ultra-high-speed angular contact ball bearing plastic cage.The research ideas of the article are as follows：firstly，a multi-body dynamic model of the ball bearing is established;secondly，an example of cage stability is analyzed;finally，a simulation test is carried out in order to verify the feasibility of the model.The simulation results show that the tested ultra-high-speed angular contact ball bearing plastic cage has good stability and achieved the expected effect.

　　關鍵詞：角接觸球軸承;穩定性;仿真;建模

　　Key words：angular contact ball bearing;stability;simulation;modeling

　　0引言

　　保持架在軸承中的主要作用是：沿滾道均勻分布滾動元件，并在滾道中引導滾動元件。由于保持架與球在軸承運行過程中頻繁碰撞，保持架會損壞。振動時，這種現象稱為“籠失穩”。對于這個問題，最早開始研究的是美國的學者Kingsbury，他通過大量的測試，發現了籠子的不穩定性。當前，世界上不少的研究者都在著重對網箱的不穩定性展開實驗測試，發現了保持架的失穩是一個很關鍵的因素。一個好的罐籠結構，能夠使得罐籠的運行非常平穩，而不會發生重大的故障。在實際的環境下，保持架會較為頻繁和導向環，以及滾動體過多接觸，摩擦過度是在所難免的。所以，需要使得保持架和滾動體間留有一定的間隙，并且要注意保持架之間的卡套導向面間隙，這些也會嚴重影響保持架的穩定性。不少研究者嘗試利用數學的思想，構建相關的模型，進而深入分析袋隙與導隙這兩個因素與網箱正常運行間的相關性。研究發現，當橢圓兜的間隙變大后，那么，球和洞摩擦的幅度就會降低，這對于保持架正常、平穩的工作是有利的。

　　眾多的學者研究也發現，利用數學知識建立網箱動力學模型是非常有必要的。Ghaisas主要研究了保持架工作的六個維度，利用高等數學的知識建立了保持架穩定性的動力模型。Ashtekar在其基礎上也對保持架穩定性的動力模型開展了相關的研究，選擇的方法是有限元法。通過研究，他指出，如果保持架擁有極好的柔性，那么，發生頻繁碰撞的概率會小很多，旋轉也會變得更加平穩。劉秀海也建立了網箱的動力學模型，他與之前的研究不同，研究的角度是從外部工況開始著手。著名的學者 Shidong 主要是 從能量的角度分析了構建數學模型的可能性，他發現如果要使得網箱能夠平穩工作，那么，就需要在一個運行周期 內，吸收的能量要高于最初所擁有的動能。孫雪在前人研究的基礎上指出，可以對軸承運行參數進行分析，其也屬于影響保持架正常工作的一個關鍵因素。為了更加全面分析這種因素造成的影響，他利用所學習到的知識，利用python java技術在pycharm和Myeclipse平臺上進行了建模仿真測試。張樂宇也對保持架的穩定性開展了研究，他發現，不好的結構參數會使得保持架的運行極為不穩定。此外，他通過仿真測試也發現，如果徑向載荷和間隙比逐漸增大，那么保持架就會運行很不穩定。

　　1球軸承多體動力學模型建立

　　1.1 ADAMS仿真模型的建立利用數學知識構建仿真模型，能夠定性和定量對影響保持架的因素進行較為全面的分析，從而得出具體的結論。保持架屬于軸承內部的結構，它在一般情況下包含了六個自由度，當其運行狀態穩定時，那么，滾動元件和導向環間的的工作較為穩定�？紤]到軸承室一個復雜體，并且其運行是動態的過程。為了更加詳細了解保持架運動情況，筆者利用了流行的ADAMS軟件開展了仿真實驗。A力模如圖1所示。

　　從圖 1 可以看出，軸承運轉工作時，其內部基本上很 固定，外圈會保持轉動。如果外圈僅僅軸向工作，沿著周向 工作，那么就有四個自由度被影響，而保持架本身擁有六個自由度。筆者主要讓軸向預緊力工作到軸承外圈，構建 相關的載荷模型。滾動部分、保持架，以及導向圈的載荷數不會超過3N個。考慮到保持架和導向圈擁有一個載荷，那么加起來就是3N+11.2接觸碰撞參數的設定對于該部分，主要討論的是接觸碰撞參數的設定。滾動元件與保持架本身的運動就受到了其他部件的影響，當設置的碰撞參數不同時，所產生的碰撞效果就出現差異。所以，在進行較為全面的評估后再進行碰撞參數的設置非常有必要。筆者再查閱了大量的資料后，選擇的是接觸力計算方法，也就是考慮彈簧阻尼。

　　2保持架穩定性實例分析

　　2.1啟動加速度對保持架穩定性的影響對于此部分，本文主要分析的是啟動加速度對保持架穩定性的影響。軸承預緊力達到了4N，并且保持架僅僅受到引力的影響。在所建立的橫豎軸上，Y軸方向表示的是重力方向，當受到旋轉摩擦的影響時其方向會發生一定的偏轉。如果轉速不是很大時，那么，就很容易發生保持架和導套間的多次撞擊，波動的幅度會有點大。如果轉速不斷上升，那么籠體質心就會不斷向環形帶延伸，并且逐漸運行到穩定狀態。高速旋轉，它表明在環指南的指導效果表面增強，碰撞效應減弱，因此籠的穩定性增加，引力場，低起動加速度使籠上的導環的指導效果較弱，與籠子旋轉點，和頻繁的碰撞與導環。隨著轉速的增加，環形導軌的導軌面增大。增大時，籠體的質心沿環方向旋轉。結果表明，加速度越高，加速過渡時間越短，轉速越高，有利于保持罐籠的運行穩定性。隨著加速度的增加，摩擦力矩的均方根值也增大。為了保證衛星姿態控制的精度，動量輪軸承的摩擦力矩值需要盡可能小。因此，在軸承運行穩定的情況下，軸承的起動加速度應盡可能小。

　　2.2軸向載荷對保持架穩定性的影響對于該部分，主要研究的是軸向載荷對保持架穩定性的影響。由于衛星是在高軌道運行，處于無重力的狀態，這就需要分析在這種情況下軸向力對保持架產生的持續作用。在剛開始運行時，軸承啟動加速度就能夠達到1100"min-"s.。當處于加速階段時，因為于軸承轉速并不是很高，保持架受到的撞擊并不是很多。當軸向載荷不斷上升時，保持架受到的撞擊會明顯上升，這是因為滾動體之間的接觸變得更加頻繁，接觸面增多了。罐籠受力而發生的形變將會極大地影響到罐籠的運行狀態，使得罐籠和套圈間撞擊的幾率不斷上升。當軸向負荷的數量不斷上升時，保持架的轉速會發生一定的偏差，并且偏差會逐漸擴大。此外，如果發生了保持架速度偏差沒有超過加速區時，這表示保持架處于加速區的運行并不是很好。所以，當處于無重力影響的狀態時，軸承軸向載荷的上升是使得保持架撞擊增大的一個顯著因素。

　　3仿真分析

　　基于滾動軸承的動力學，亞當斯/視圖模塊重新開發基于ADAMS參數化角接觸球軸承動力學仿真模型建立了通過CMD語言編程宏命令，和軸承的各個部分之間的相互作用力是編譯使用Fortran子例程編譯生成一個動態鏈接庫文件，以便Fortran和亞當斯解算器模塊(ADAMS/

　　解算器)連接，從而實現了角接觸球軸承動力學模型的求解與仿真。采用設計變量法實現了角接觸球軸承的參數化建模，并針對每個部件的結構尺寸創建了相應的設計變量。設計變量可以通過建模界面輸入或修改，軸承的結構參數依次輸入�？勺詣由�成角接觸球軸承的三維實體模型

　　(圖2)。三維幾何實體模型創建后，可通過材料設置界面

　　對軸承材料進行設置或 更改。通過軸承工況參 數化界面，可以向軸承模型添加載荷等約束。 利用 ADAMS 和 Fortran軟件聯合完成了角接觸 球軸承的動力學仿真分 析。求解時，首先確定初 始條件，如軸承的結構參數、工況參數等。在用戶定義的子程序，自定義函數用Fortran子例程SYSARY獲得運動狀態值(位移、速度、角速度等)各部分之間通過調用操作在亞當斯瞬態函數，并將這些狀態值轉換成一個數組的形式轉移到一個用戶定義的子程序，以便零件之間的相互作用力和力矩計算，并將計算結果(狀態值)作為運動學微分方程的初解，通過數值返回ADAMS。利用ADA MS/Solver模塊求解動力學微分方程，完成仿真的第一步，并在這一步輸出計算結果;自定義子程序再次讀取仿真模型中新的系統狀態值，并計算出相應的力和力矩，在下一次仿真中返回給ADAMS作為動力學微分方程的新初始解。因此，通過函數子例程提取模型中的狀態值，傳遞給用戶子例程，然后反復迭代，直到滿足初始集精度解。通過求解，可以得到各時刻軸承運動系統中各部件之間的動態特性關系。求解完成后，在ADAMS/Postprocessor中輸出相應的仿真結果。從而在ADAMS中完成了角接觸球軸承的動態仿真分析。以某型角接觸球軸承為例，其結構參數如下：外徑為68mm，內徑為40mm，寬度為15mm，球數為17，球直徑為7.938mm，接觸角150，當高速轉子軸承運行時，內圈旋轉，外圈靜止。當軸承運行時，外圈被引導。軸承的工作環境為40℃，保持架兜隙為0.196mm。考慮保持架在軸向和徑向載荷、轉速等結構參數以及間隙比和槽曲率系數等結構參數下對角接觸球軸承失穩的影響;通過仿真分析得出，運行條件和結構參數對車架轉速偏差比、保持架與外圈導軌表面的平均潤滑摩擦力矩、平均碰撞摩擦力矩對保持架的影響有影響。

　　4結論

　　為提高動量輪對衛星姿態控制的精準性，本文對動量輪中球軸承保持架在變工況過程中的穩定性進行了研究.本文采用文獻法和仿真法，研究了超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性。文章的研究思路為：首先，建立了球軸承多體動力學模型;其次，分析了保持架穩定性實例;最后，為了驗證模型的可行性，進行了仿真測試。仿真結果表明，測試的超高速角接觸球軸承塑料保持架穩定性良好，達到了預期的效果。

　　參考文獻：

　　[1]金寧寧角接觸球軸承預緊力與系統固有頻率關系的研究[D]河南科技大學，2011.

　　[2]陳雄，角接觸球軸承靜力學與動力學分析[D)，南京航空航天大學，2007

　　[3]陳思佳角接觸球軸承安裝預緊對轉子動力學性能影響[D.華東理1大學，2015.

　　[4]王偉利，混合陶瓷角接觸球軸承的熱機耦合分析[D.天津大學，2007.

　　[5]李蘇潔混合陶瓷角接觸球軸承接觸應力的有限元分析[D].天津大學，2008.