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基于接触力学的圆柱滚子轴承振动研究

陈於学  
【摘要】:滚动轴承作为一种重要的基础部件,在各种旋转机械中得到最广泛地应用,轴承的运行状态往往直接影响到整个机械系统的性能。轴承的振动很大程度上影响着轴承的动态性能,它是轴承的结构、其组成零件的加工质量、装配清洁度、润滑状况及装配质量等多种因素的综合反映,因此,振动是轴承的重要质量参数。在当今国际制造水平向静音轴承发展的过程中,轴承的减振降噪成为我国轴承行业迫切需要解决的问题。本文开展对轴承振动特征及其机制的研究既丰富了轴承振动的基础理论,同时也能为轴承减振、降噪提供了合理的质量评价指标以及制造工艺的指导。 本文根据中华人民共和国机械行业标准《滚动轴承振动(加速度)技术条件》(JB/T5314—2002)规定的测量方法,基于接触力学理论和振动学,既考虑Hertz 弹性变形又考虑弹性流体动力学润滑,对圆柱滚子轴承振动进行了研究。 本文通过引入Hertz 接触区的结构阻尼和油膜刚度,较全面地建立了滚子-滚道接触副的接触力学模型,通过虚滚子的假设提出了圆柱滚子轴承的动态负荷模型。进而提出了圆柱滚子轴承的动态刚度模型和动态阻尼模型。根据这些模型,分析了圆柱滚子轴承接触力学特性。表明圆柱滚子轴承的动态负荷、动态刚度和动态阻尼不是恒定值,而是随轴承的转动周期性变化。 在接触力学特性分析的基础上,建立了考虑圆柱滚子轴承润滑的非线性动力学数学模型,并以其为仿真模型,对圆柱滚子轴承动力学特性进行了仿真研究。仿真研究结果首次描述了即使制造完美、润滑理想的圆柱滚子轴承,在径向负荷作用下变柔性振动的存在; 同时,通过建立的仿真模型,较真实地模拟了正常和缺陷轴承的振动,表明缺陷的存在是引起轴承振动的主要原因之一。 在圆柱滚子轴承接触力学特性及非线性动力学研究的基础上,本文进一步根据接触力学和振动学的理论研究了轴承的径向振动,建立了圆柱滚子轴承的接触振动模型。通过轴承接触振动模型定量的对圆柱滚子轴承的径向振动本质特征进行了分析,并发现:圆柱滚子轴承在径向负荷的作用下,其振动基频不是一个固定值,而是在周期性变化的,振动频谱图上会出现不是倍频的双峰。 针对轴承实际检验中出现引起“异音”的奇异振动,本文建立了圆柱滚子轴承早期缺陷的振动模型和提出了诊断准周期性缺陷的方法。通过缺陷模型分析了轴承早期异常振动信号特征,即,轴承早期缺陷引起的异常振动为一个或一串串振荡阻尼衰减波。同时提出了采用高频共振解调与低通检波相结合,在时域内诊断准周期性缺陷的特征频率的方法。


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