利用改进牛顿-拉夫逊法的高速圆柱滚子轴承打滑分析

在考虑油气阻力和保持架与滚子之间的摩擦力的基础上,推导了圆柱滚子轴承拟动力学分析模型。提出采用改进的牛顿拉夫逊法求解大规模非线性方程组,可以克服传统算法对初值要求较高、方程组规模较大时迭代很难收敛的问题,在分析高速滚子轴承打滑时具有较好的效果。通过与已有的分析和实验结果进行对比后发现:滚动轴承保持架打滑与轴承所受径向载荷有关,在一定范围内增大径向载荷,可明显抑制打滑现象;在高速滚动轴承非承载区,滚子转速与保持架转速相关,且随保持架转速的增加而增加,而当保持架转速接近理论转速时,滚子打滑程度与径向载荷无关。     

超声法测量圆柱滚子轴承润滑油膜厚度

针对实际工况下圆柱滚子轴承接触区润滑油膜薄而窄难以测量的问题,利用基于等效弹簧模型的超声测量原理进行研究,设计并搭建了专用圆柱滚子弹流润滑油膜厚度测量实验台,对超声测量圆柱滚子轴承润滑油膜厚度进行实验研究。通过该实验台来模拟圆柱滚子在实际工况下的运行状态,高频测量探头安装在5自由度微动平台上以便调整合适的测量位置;在轴承保持架上贴一个反光片作为每个工况下开始测量的触发信号,保证每次测量同一个滚子;使用温度传感器实时测量实验轴承温度,考虑温度对润滑油的影响。实验所能测量的最大转速取决于重复频率,重复频率不足会导致较大的测量误差;超声探头聚焦直径区域内的平均效应导致无法测量比聚焦区域更小的油膜分布信息。在最高转速600r/min、最大载荷16kN的范围内成功测量到了圆柱滚子轴承在实际工况下0.2~1.2μm的膜厚。实验结果表明:最小膜厚会随转速的升高而增大,随载荷的增大而减小,与理论计算结果拟合程度较高,证明了该方法在实际工况下测量圆柱滚子轴承油膜厚度的有效性和准确性。     

高速滚动轴承运动特性的表面粗糙效应

在高速滚动轴承运动特性分析中,考虑了表面粗糙效应。对高速滚动轴承保持架和滚子运动性能进行了测定。分析了轴承元件表面粗糙度对转速及其滑差率的影响,揭示了表面粗糙效应对轴承运转的动力学影响。寻找轴承元件打滑的原因,探索提高轴承寿命的新途径。     

考虑润滑碰撞的精密轴承保持架动态特性

保持架作为轴承中的浮动组件,在套圈引导和滚动体撞击作用下随机运动,其动态特性直接影响精密轴承的服役性能。为了准确分析保持架的动态特性,考虑轴承保持架和滚动体之间真实润滑状态和碰撞过程建立了滚动体和保持架润滑碰撞模型及精确的保持架动力学模型,分析了轴承预紧力、径向载荷、内圈转速及引导-兜孔间隙比对精密轴承保持架动态特性的影响规律。实验结果表明,相比于传统的保持架兜孔-滚动体干摩擦模型,考虑润滑的保持架动态特性分析与实验现象更吻合。相同转速下,增大预紧力或径向载荷可以降低保持架打滑率,相比径向载荷,预紧力对保持架打滑的影响更大。保持架在低速和高速下呈现不同的打滑形式,低速下外载荷对保持架打滑影响不大;高速下外载荷对保持架打滑影响较大。相同预紧时保持架打滑率随轴承内圈转速增加而增加,中预紧时转速对保持架打滑影响最小。随着引导间隙-兜孔间隙比的增加,保持架打滑率降低。研究工作可为精密轴承保持架的设计提供一定的依据。     

高速角接触球轴承腔内气相流动与传热特性研究

针对高速运转滚动轴承腔内空气在接触区周围形成的高压区阻碍润滑介质进入,从而导致供油效率降低的问题,以B7008C角接触球轴承为研究对象,考虑轴承几何结构细节,建立了角接触球轴承腔内气相流动模型,采用旋转坐标系描述轴承各组件运动,分析滚动轴承在不同转速与保持架结构参数下的气相流动。用该模型分析了轴承腔内气相流场,揭示了轴承公转、钢球自旋、保持架结构等因素对轴承腔内气相流型与传热效率的影响规律。结果表明:随着公转转速升高,气流速度升高,轴承腔内压差增大;高速下钢球的自旋效应使轴承腔内气压升高,分布不均匀性加剧;保持架兜孔形状、兜孔结构等参数影响换热效率与压力场分布,随兜孔间隙增大,保持架对流换热系数升高。轴端贴近轴承内圈处是配置供油单元出口的理想位置。     

高速角接触轴承油气润滑两相流动特性数值研究

针对油气润滑高速角接触球轴承腔内润滑冷却问题,提出了角接触球轴承油气两相润滑高精度数值计算模型。采用两相流模型和多重坐标系方法模拟轴承腔内两相流动特性;研究轴承运行工况及保持架几何参数对轴承腔内流场分布与换热效率的影响。结果表明:球形兜孔保持架轴承腔内的平均温度低于柱形兜孔保持架轴承,与实验结果相符。同时,过大或过小的兜孔间隙均会造成轴承腔内平均温度升高,因此合适的保持架兜孔结构与几何参数对于提高滚动轴承润滑性能至关重要。单个油气入口时,轴承腔内的润滑油分布并不均匀,在油气入口附近油相体积分数达到最大值;随着与入口位置距离的增加,油相体积分数逐渐降低。     

齿轮噪声干扰及变转速下的滚动轴承故障诊断

齿轮噪声以及变转速运行是干扰滚动轴承故障诊断的常见因素,针对上述两种因素同时对滚动轴承故障诊断的干扰,引入了集合经验模态分解(EEMD)方法以去除轴承信号中的齿轮噪声,将齿轮峰值啮合倍频(IDMM)等效为滚动轴承的瞬时转频,阶比跟踪以去除转速变化对滚动轴承故障诊断的影响,并将此方法命名为基于EEMD和IDMM的滚动轴承故障诊断方法.仿真和实测信号分析证明该方法能有效去除齿轮噪声和转速变化对滚动轴承故障诊断的影响,同时提高故障特征阶比的幅值,节省转速测量装置.     

轮轨激励条件下轴箱轴承内圈故障振动特性分析

高速列车运行过程中，轮轨复杂激励会对轴箱轴承的动力学行为产生不可忽视的影响.首先利用UM(universal mechanism)软件建立车辆-轨道动力学模型，在对车辆模型进行稳定性、平稳性和安全性验证的基础上，获取了复杂激励下轴箱轴承所受的垂向、纵向和横向载荷；然后，通过Solidworks软件和ADAMS软件建立了轴箱轴承内圈剥离故障动力学模型，通过与滚振实验台轴箱轴承实验对比，验证了所提模型的准确性.通过动力学仿真分析可知，轴箱轴承故障侧的滚子与内圈接触载荷大于非故障侧与正常轴承，故障侧保持架的振动大于非故障侧与正常轴承，内圈故障冲击加剧了轴承保持架与外圈的质心波动.最后，进一步对比考虑轮轨激励下与定载荷下故障轴承仿真结果发现，受轮轨激励的影响轴承内部各个元件间的接触载荷显著增大，轴承保持架与外圈质心运动轨迹盒维数显著增大.研究成果对揭示实际工况下高速动车组轴箱轴承内部元件振动特性规律具有重要意义.     

沟槽型织构化圆锥滚子轴承保持架的动力学分析

为揭示织构化圆锥滚子轴承保持架的动力学行为，首先利用三维建模软件对轴承外滚道进行了径向沟槽织构化处理，沟槽的深度为50μm,宽度分别为54.59μm, 233.27μm, 466.52μm,对应周向角度分别为0.117°,0.5°,0.9°。沟槽条数为30,再利用Adams平台对织构化滚动轴承保持架质心运动轨迹进行了动力学仿真分析。结果表明：随着轴承内圈转速的提高，保持架质心的运动轨迹呈椭圆的趋势越明显，保持架稳定性也越高，在相同转速条件下，适当的织构参数可以降低保持架质心运动轨迹的波动性，织构宽度为233.27μm,对应周向角度0.5°的保持架质心轨迹波动最小，运行更为稳定。     

采用自主图像处理程序的非侵入式滚动轴承保持架运动轨迹提取方法

现有保持架质心轨迹测量方法会侵入轴承原有结构,难以反映真实的轴承动态特性;现有的基于图像的方法虽然不会破坏轴承结构,却依赖于标记点标记精度与追踪精度,无法直接反映质心运动。针对这些问题,提出了一种基于自主图像处理程序的滚动轴承保持架运动轨迹提取方法,结合亚像素图像处理算法,在不改变轴承原有结构的基础上可以精确识别提取保持架质心轨迹。对两种不同引导方式的保持架开展了轨迹提取实验。实验结果表明,保持架轨迹受保持架与轴承内外圈结构的影响,呈现出不同形状;在实验转速区间内,保持架运动的稳定性随着转速的升高而增大。实验结果证明了所提出的轨迹提取方法的有效性,为轴承保持架动态特性的研究提供了一种便捷、准确的测试方法,能对轴承保持架质心轨迹进行有效的提取。     

柴油机燃烧噪声的传递特性

为研究柴油机燃烧噪声的传递特性,测量了发动机工作和倒拖时的气缸压力,并在不同转速下从4个不同方向上对一台单缸柴油机进行了1/3倍频程噪声频谱分析,分离出燃烧噪声压力级,计算其传递函数.基于柴油机燃烧示功图进行快速傅立叶变换得到气缸压力级频谱,同时计算两种不同工况下的柴油机衰减曲线.结果表明,与倒拖工况相比,4个方向上燃烧工况的噪声级相对增加率均大于4.5%.各个方向上的最大噪声级均出现在中高频范围.随着频率增加4个方向上的传递函数也缓慢增加,两种转速下的衰减曲线走向基本相同.     

变工况下高速轴承表面沟槽润滑增效设计

针对滚动轴承在高速高压气帘影响下供油不足的问题，提出了基于表面沟槽结构的轴承润滑增效方法。首先，建立了考虑轴承真实结构、组件内部运动的轴承润滑仿真模型，利用沟槽的引流作用增强润滑油轴向流动能力，进而提升轴承润滑效率；其次，考虑轴承变工况服役特点，研究了供油量、转速、沟槽尺寸、喷嘴直径等因素对轴承润滑性能的影响规律，结合正交设计获得了影响沟槽润滑增效的多因素敏感性排序，基于参数归一化方法构建了适用于变工况的最优沟槽宽度预测公式。搭建了高速轴承润滑实验台，对比分析了不同宽度沟槽在轴承变工况下的润滑增效作用，结果表明，当轴承转速超过6 000 r/min时，所提方法获得的最优沟槽结构使得轴承接触区润滑油流量提升5倍以上，显著提升了轴承的润滑效率。     

一种自适应频率窗经验小波变换的滚动轴承故障诊断方法

为解决强背景噪声下经验小波变换(EWT)难以准确提取滚动轴承故障特征的问题,提出了一种自适应频率窗EWT方法。首先对轴承故障振动信号进行傅里叶变换,引入一个带宽可变的滑动频率窗对其频谱进行分割;然后利用水循环优化算法(WCA),通过所提出的包络谱谐波噪声比指标,自适应确定滑动频率窗位置;最后进行EWT筛选出最佳的模态分量信号,通过包络解调分析提取轴承故障特征信息。采用所提方法对滚动轴承故障实验信号进行分析,结果表明,该方法可以有效用于滚动轴承微弱故障特征的提取,而传统EWT方法因为受强背景噪声影响较大,无法准确提取故障特征信息。     

滚动轴承运动-接触精确建模与二次开发

针对目前商业软件在轴承动力学分析中接触求解精度不足的问题,提出了一种基于全局坐标系的轴承动力学仿真建模方法。以角接触球轴承为研究对象,利用刚体动力学理论,解析了轴承各个零件的瞬态几何位置关系;结合经典的赫兹接触与弹流动压润滑理论,构建了轴承组件的动力学微分方程;采用位移求解计算精度高的GSTIFF I3算法对建立的动力学微分方程进行快速求解,通过分析任一瞬态下各个零件的受力状态,实现了轴承组件间高副接触过程的精确解析。通过与经典理论对比,该模型的接触力仿真误差为0.82%;通过与不同转速及不同预紧力下保持架的实验测量转速对比,该模型的转速仿真误差不超过0.5%。本文所提方法显著提升了轴承接触与运动特征的分析精度,为滚动轴承的工程设计及状态建模预测等提供了准确高效的计算手段。     

高速滚动轴承-转子系统动力学特性分析

为研究高速滚动轴承-转子系统的非线性动力学特性,分析了高速滚动轴承刚度和阻尼参数的推导方式,得到滚动轴承刚度-阻尼值的变化与轴承滚动体的位置角的关系,及其变化幅与转速的关系;并对轴承-转子系统动力学特性进行了分析,得到阻尼系数的变化对轴承-转子系统动力学特性的影响.通过分析得出转速越大,刚度与阻尼值的变化周期越短,而轴承-转子系统的动力学特性随阻尼增大成非线性减弱.     

基于Hilbert变换的滚动轴承内环和外环故障诊断

针对滚动轴承的外环和内环发生故障时轴承产生的振动信号具有调制的特点,提出基于Hilbert变换的滚动轴承内、外环故障诊断方法,介绍基于Hilbert变换的调制信号解调过程:运用Hilbert变换对滚动轴承的振动信号进行包络解调,实现载波和调制波的分离.通过对调制波进行频谱分析实现滚动轴承内、外环故障的诊断,对具有内环故障和外环故障的滚动轴承进行故障诊断仿真.仿真结果表明:基于Hilbert变换的包络解调技术能有效提取调制信号中的包络信号,对包络信号进行频谱分析后可以实现滚动轴承内、外环故障的诊断;诊断结果与实际故障相吻合,基于Hilbert变换的包络解调技术可应用于滚动轴承内、外环故障的诊断.     

基于FrFT滤波和LMS降噪的变转速滚动轴承故障诊断

变速工况下的机械故障诊断逐渐成为旋转机械监控领域的一个热门课题,在变转速下故障更容易发生且伴随更大的噪声,而相应的降噪问题目前却没有可靠的解决方法。因此提出一种基于分数阶傅里叶变换（FrFT）滤波和最小均方算法（LMS）降噪的故障诊断方法,对变转速工况下轴承振动信号进行降噪,进而提取非平稳故障特征。首先,同时获得滚动轴承振动加速度信号和转速信号;然后对Hilbert解调后的振动信号进行峰值搜索FrFT,按照搜索得到的最佳阶次和分数阶域聚集位置进行FrFT滤波;再将FrFT滤波得到的信号作为参考信号,原包络信号作为输入信号,进行LMS自适应降噪;最后对降噪后的信号按照转速重采样进行阶次分析,将包络阶次谱中的突出特征与故障特征阶次对比,判断故障。该方法可成功应用于变转速工况下滚动轴承的试验数据处理,证明了方法的有效性。     

采用聚酰亚胺保持架的轴承油膜厚度

本文研究了润滑油粘度、轴承转速、轴承接触角三种因素对采用聚酰亚胺轴承保持架的轴承油膜厚度的影响，为该类型轴承在实际应用中润滑油的选用及进一步探讨该类型轴承的润滑性能提供了试验依据。     

紊流滑动轴承-转子系统的稳定性

在轴承-转子系统中,由于转子尺寸的不断增大和线速度的不断提高,使得大部分轴承在紊流工况下运行。为分析轴承-转子动力学的稳定性,本文采用无限长滑动轴承模型假设,结合Sommerfeld变换,获得了紊流工况下非线性油膜力,建立了紊流滑动轴承支承的转子系统的动力学模型,运用Routh-Hurwitz判据分析了轴承-转子系统的稳定性,研究了紊流效应对紊流滑动轴承的刚度系数、阻尼系数、转子临界转速和在临界转速下转速频率比的影响。     

一种用于滚动轴承的可靠性虚拟试验方法

常规的试验和理论计算不能有效地分析轴承的各类随机误差对其动态特性的影响,因此提出一种滚动轴承可靠性虚拟试验方法.首先基于动态接触力学和显式动力学有限元算法,建立三维参数化深沟球轴承有限元模型,得到轴承内外圈、滚珠、保持架之间的接触应力、应变的变化情况及接触过程中的压力分布情况.在此基础上,运用APDL语言实现乘同余数法产生伪随机数的计算程序,综合考虑轴承原始制造误差以及转速、载荷等不同工况对轴承动态性能的影响,对轴承进行多次随机虚拟试验,运用K-S检验法确定所获得的实验数据分布,求取轴承疲劳失效的可靠度.运用蒙特卡罗法对轴承进行1 000次模拟计算,得出了轴承对各参数变量的可靠性灵敏度,为轴承...