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航空发动机高速滚动轴承及转子系统的动态性能研究

崔立  
【摘要】: 滚动轴承作为航空发动机转子系统广泛采用的一种支承,其动态力学特性对转子系统的动力特性有重要的影响,随着航空发动机的性能不断提高,这种影响更为显著。因此,为了优化和提升现有发动机的动态性能,满足新一代先进航空发动机的研制需要,进行高速滚动轴承及其转子系统动态性能的研究十分必要。本文围绕航空发动机高速滚动轴承及其支承的转子系统,建立了滚动轴承的拟动力学分析模型、滚动轴承-转子系统的动特性和非线性振动模型,分析了不同工况参数和轴承结构参数对滚动轴承及转子系统动特性的影响,开发了分析程序,在现有的高速轴承台架上进行了高速轴承转子系统的验证实验。本文的研究为高速滚动轴承及其转子系统的分析提供理论基础,为航空发动机的可靠性分析提供技术储备。 论文首先对高速滚动轴承的动态性能进行了研究,通过建立滚动轴承的拟动力学分析模型对高速球轴承和高速滚子轴承进行分析,工况和轴承结构参数对轴承动态性能有较大影响:球轴承的径向载荷和弯矩的存在会使滚动体的旋滚比、微区PV值、保持架滑动率等动态性能在数值上和变化规律上都有较大变化,且弯矩的影响更为明显。较小的接触角、较大的沟曲率对于降低球的PV值、降低保持架滑动率都有明显的影响。滚子轴承在高速轻载时,较小的弯矩就使滚子接触载荷峰值和PV值将变得很大,外圈存在椭圆度、具有较小径向游隙的滚子轴承对于降低滚子PV值、降低保持架滑动率都有明显的影响。 研究了轴向预载荷对球轴承打滑的影响规律,给出了防止球轴承打滑的临界轴向载荷的定义:承受联合载荷作用或有弯矩存在的球轴承,当承载滚动体不打滑且保持架转速明显趋于平稳时对应的轴向载荷为临界轴向载荷;仅受轴向载荷作用的球轴承,滚动体打滑率为零时对应的轴向载荷为临界轴向载荷。并提供了在给定保持架滑动率下的轴承轴向预载荷。 考虑轴承的动刚度用Riccati传递矩阵法分析了转子系统的动特性。与定刚度值计算相比,考虑动刚度对转子系统的临界转速、稳定性、失稳门槛值有较大的影响。转子系统的瞬态响应会影响支承轴承的动态性能,建立了滚动轴承与转子整体计算的模型,用Newmark-β积分法计算并分析了转子的响应和轴承的动态性能之间的耦合规律,发现当转子载荷变化速率较大、突加不平衡力较大时会引起转子的振幅较大,同时引起支承轴承保持架的滑动率也较大。 为了揭示滚动轴承支承的转子系统的复杂振动特性,推导了滚动轴承的非线性轴承力,建立了滚动轴承非线性振动的运动微分方程,使用Runge-Kutta积分法求解。研究表明,滚动轴承的非线性轴承力会诱发变刚度振动,使系统响应中存在周期振动和拟周期、混沌非周期振动。选取适当的参数,轴承的接触角、游隙、预紧力、阻尼等,可以改善非线性轴承力引起的非周期振动行为。转子系统中存在不平衡力时,将使非周期振动区域明显增多,产生变刚度振动频率和不平衡力振动频率的组合振动。研究给出了滚动轴承外圈波纹度、内圈波纹度、滚动体波纹度引起的振动频率与轴承结构参数和波纹度阶数的关系。考虑转子的非线性振动发现在非周期振动范围内,滚动轴承的打滑率、刚度有较大变化。 编制了滚动轴承设计与分析软件,使用软件集成技术实现了滚动轴承参数化设计、滚动轴承-转子系统性能预测、滚动轴承温度场分析和滚动轴承寿命预测的集成,为滚动轴承的设计与分析提供依据。 使用经过实验验证的滚动轴承动力学算例对本文建立的滚动轴承拟动力学模型进行了验证,两者计算结果较为接近,对轴承稳态性能预测较准确,对于轴承瞬态运动学参数预测的误差在5%以内,表明本文建立的拟动力学模型可以较为准确的预测滚动轴承的动态性能。 以现有的高速滚动轴承试验台架为基础,进行了高速滚动轴承转子系统动态性能的实验验证,测试了滚动轴承转子系统的临界转速、振动位移、轴心轨迹,与软件计算结果对比:理论计算结果与实验结果比较吻合,并揭示了转子系统中存在的复杂轴心轨迹,表明本文提出和建立的滚动轴承转子系统动态性能分析模型和方法可以较为精确和可靠的预测轴承和转子的动态性能。


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