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滚动轴承打滑动力学模型及振动噪声特征研究

涂文兵  
【摘要】:滚动轴承是关键基础零件,它直接影响主机的性能与寿命。滚动轴承的打滑,不仅会加速滚动轴承的磨损,破坏滚动轴承的旋转精度,产生异常振动和噪声,而且会造成滚动轴承的划伤和润滑油温度的升高,导致油膜破损,严重影响滚动轴承的性能和寿命。由于滚动轴承内部接触关系与运动关系的复杂性,尤其是考虑滚动体载荷和速度变化的打滑机理,轴承与轴承座耦合的声振计算方法等未得到很好解决,制约了高精度、低噪声和长寿命滚动轴承的研发。目前,关于滚动轴承打滑的动力学模型及算法,打滑对滚动轴承寿命和振动噪声的影响规律等,已成为该领域的关键共性科学问题,亟待予以解决。因此,开展滚动轴承打滑机理、动力学模型和声振耦合计算方法的研究,具有重要的理论意义和实际工程价值。 本论文主要围绕滚动体打滑原因,滚动体进入承载区打滑动力学模型及咬入打滑特性,加速工况滚动轴承打滑动力学模型及打滑特性,打滑对滚动轴承振动特性的影响,轴承声振耦合模型及打滑对轴承噪声的影响等方面展开研究。论文的主要工作如下: ①在滚动体打滑原因及打滑对轴承影响分析的基础上,综合考虑非线性接触、变摩擦系数、游隙及咬入角等非线性因素,建立滚动体进入承载区打滑动力学模型,研究了滚动体进入承载区的咬入打滑特性,以及轴承转速、载荷等对滚动体打滑的影响; ②基于滚动轴承的整体接触模型和滚动体与保持架的相互作用模型,分别推导内圈、滚动体和保持架的运动微分方程,建立加速工况滚动轴承打滑动力学模型,通过与Harris模型计算结果及实验结果的对比,验证了此模型的有效性。研究了加速工况下滚动轴承的打滑特性,以及轴承载荷、内圈角加速度等对轴承打滑特性的影响; ③综合考虑滚动轴承时变刚度、游隙及打滑摩擦力等非线性因素,推导了滚动体非线性接触力和打滑产生的摩擦力,建立了滚动轴承振动模型,获得了滚动体打滑激励下的轴承的振动响应,研究了滚动体进入承载区打滑状态下轴承的振动特征; ④基于动力学模型、有限元模型和边界元模型相耦合的方法,建立了轴承-轴承座声振耦合模型。通过建立轴承-轴承座系统振动模型,获取轴承的振动响应并以此作为轴承座振动噪声的激励;建立轴承座有限元模型,应用完全法对轴承座进行瞬态动力学分析,获得轴承座的振动响应;建立轴承座的边界元模型,将轴承座表面振动响应作为声学分析边界条件,采用直接边界元法求解Helmholtz方程的边界积分公式,获得轴承座的噪声辐射特性。通过轴承噪声实验,验证了本文提出的轴承声振耦合模型的正确性。基于该模型,研究了滚动体进入承载区打滑状态下轴承的噪声特征,为减振降噪提供了理论基础。


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