轴向载荷作用下角接触球轴承动力学建模及振动谱解析

摘要

角接触轴承的运行状况是机械部件能否正常运转、实现预定功能和达到预期寿命的关键环节。本文以应用于空间环境的角接触轴承为对象进行空间状态下轴承运行失效机理和状态的研究。由于空间在轨环境中无法获取轴承运行状态信息，亟需在地面模拟空间环境下开展轴承寿命评估试验，从大量候选滚动轴承中筛选出最优性能轴承安装到空间飞行器中。
　　目前模拟空间环境下的固体润滑滚动轴承寿命状态监测手段有摩擦力矩测试和温度测试。由于摩擦力矩和温度测试所包含轴承特征信息单一，不能完整的反映轴承的运行特点，从而不能有效反映轴承性能的退化趋势，因此振动测试作为模拟空间环境下固体润滑滚动轴承的手段逐渐得以关注，在固体润滑滚动轴承的寿命表征和预测方面具有很好的潜力。
　　论文针对空间滚动轴承精度失效，寿命状态难以评估的难题，以振动信号为落脚点，开展了地面模拟空间滚动轴承动力学模型的建立和失效机理的分析，总结了轴承精度失效振动信号的主要特点、分析了轴承振动信号随磨损状态的演变过程、并进行了建模，进而对比实测地面模拟真空环境下轴承的振动数据进行了分析验证，具体研究内容如下:
　　1.角接触轴承载荷、转速的波动以及磨损的加剧造成了轴承的失效，论文通过角接触轴承的分析理论基础计算了轴承曲率半径的变化、接触力、接触力矩的变化等静态情况下分析了轴承磨损状态下振动信号的变化情况，可以对轴承基本的运行性能进行揭示。
　　2.研究了稳态EHL状态下角接触球轴承的油膜厚度，详细讨论了钢球—滚道接触副的刚度特性和阻尼特性，并确定角接触球轴承系统的总刚度和总阻尼，得到了角接触球轴承的振动方程。
　　3.在静力学分析理论基础上，论文建立了角接触轴承的动力学模型，针对钢球的接触角呈现瞬时变化的特点，分析钢球与滚道接触所产生的牵引力和相互作用力，并分析其将对轴承的运行特性造成的影响。
　　4.为了实现对地面模拟真空环境下轴承的动力学特性分析，将固体润滑颗粒的性能进行了讨论，建立广义雷诺方程分析了固体润滑轴承椭圆接触区域的牵引力变化模型，实现了固体润滑空间滚动轴承接触形式的精确描述。
　　5.通过角接触球轴承振动测试系统采集轴承振动信号，分析振动信号的时域特征和频域特征，并结合所建立的模型分析角接触球轴承的振动频谱，为下一步更细致的分析轴承频谱建立基础。
　　文章最后对本文的工作进行了总结，并展望下一步的研究方向。

目录

声明

摘要

1 滚动轴承失效机理分析和状态评估概述

1．1 前言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 空间滚动轴承测试技术国内外研究现状

1．2．2 固体润滑滚动轴承失效机理研究现状

1．3 固体润滑滚动轴承振动频谱解析方法国内外研究现状

1．4 本文工作简介

2 角接触轴承分析理论基础

2．2 角接触球轴承的接触载荷分析及速度分析

2．2．1 角接触球轴承的几何关系

2．2．2 角接触球轴承中的接触载荷与变形

2．2．3 速度分析

2．3 角接触球轴承中接触载荷—变形分析

2．4 计算实例

2．5 小结

3 角接触球轴承动力学模型的建立

3．1 概述

3．2 稳态EHL状态下角接触球轴承油膜厚度分析

3．3 钢球—滚道接触副刚度与阻尼分析

3．3．2 钢球的润滑接触模型

3．3．3 两个接触副的钢球

3．4 角接触球轴承的振动方程

3．4．1 弹性刚度矩阵和阻尼矩阵

3．4．2 角接触球轴承的振动方程

3．5 计算结果与分析

3．6 小结

4 角接触球轴承的几何相互作用

4．1．1 坐标系的建立

4．1．2 转换矩阵关系

4．2 滚动体和套圈的局部瞬时相互作用分析

4．2．1 基本假设

4．2．2 弹性形变及接触作用力的表示

4．2．3 牵引力

4．3 计算结果及分析

4．4 小结

5 固体润滑颗粒流系统动力学特性及磨损特，}生分析

5．1 颗粒流宏观和微观动力学性能

5．1．1 基本假设

5．1．2 固体润滑颗粒体的宏观运动方程

5．1．3 固体润滑颗粒体的微观运动方程

5．2 角接触球轴承的磨损特性

5．3 磨损激励的角接触球轴承振动分析

5．4 相关变量的频谱分析

5．5 小结

6 角接触球轴承振动信号频谱解析

6．1 角接触球轴承振动信号测量

6．2 角接触球轴承振动信号的时频域分析

6．2．1 角接触球轴承振动的时域信号

6．2．2 角接触球轴承振动的频域信号

6．3 小结

7 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 展望

致谢

参考文献