!专题综述#高速轴系球轴承—转子系统动力学的研究与发展

李松生1,杨柳欣2,张　钢1,陈晓阳1,陈长江2(1.上海大学　轴承研究室,上海　200072;2.洛阳轴承研究所,河南　洛阳　471039)

摘要:随着旋转机械转速的提高,高速轴系中球轴承—转子系统动力学方面的问题越来越突出,如何解决这些问题成为保证和进一步提高球轴承支承的旋转机械转速及其工作可靠性的关键所在,通过对高速旋转机械球轴承—转子系统动力学国内、外的研究现状进行分析总结,提出了该领域今后的研究方向和发展趋势。关键词:高速轴系;球轴承;转子系统;动力学;分析;研究中图分类号:TH133.33 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2005)04-0034-04

随着研究的深入和工程实际的需要,“轴承—转子系统动力学”成为20世纪末和目前动力学领域中一门非常重要、研究非常活跃的学科,正在逐步加以拓展和进一步完善,然而,多数研究主要集中在油膜轴承、磁悬浮轴承等支承轴系的转子动力学方面。随着球轴承支承的旋转机械的转速越来越高,传递的功率越来越大,实际工程中球轴承—转子系统动力学方面的问题也显得越来越突收稿日期:2004-12-13;修回日期:2004-12-22作者简介:李松生(1961-),男,高级工程师,上海大学博士研究生,研究方向为轴承力学分析理论、高速转子动力学等。出,需要进行研究和解决。得益于球轴承受力分析方法的逐步发展和完善,从20世纪末开始,有关高速旋转机械球轴承—转子系统动力学方面的研究逐渐得以重视,并获得了相应的进展。

1　国内外研究现状目前,国内外有关球轴承—转子系统动力学问题的研究主要集中在以下几个方面。1.1　高速运转条件下球轴承动力学特性的分析理论和分析方法 在球轴承中,分析球与内外圈沟道之间接触力和接触变形的基本理论是著名的赫兹(Hertz)空

于ActiveXAutomation的二次开发技术。AutoCADActiveXAutomation为其他应用程序提供了访问AutoCAD内部功能的方法,通过创建一个Auto2Cad.acadApplication对象,而后为每一个产品零件部、工艺图创建相应的绘图类,利用CAD相应对象的事件、函数、属性,实现图框、图形、形位公差等标注。通过图形生成选择界面生成绘图类实例,自动生成的图形以dwg扩展名形式保存,由该系统可切换至AutoCAD系统中编辑,也可将生成的CAD图形输出,显示在frmShow.frm界面上。314　数据库管理和运用模块其主要包含如下几个界面:frmregister.frm数据库管理系统注册界面,frmChange.frm用户管理界面,frmBearingView.frm轴承产品参数、形位公差、表面粗糙度显示界面,FrmPrecedeView.frm轴承主要工艺参数显示界面,frmAid.frm轴承辅助用表显示和编辑界面,一个产品、工艺设计说明界面frmabout.frm。通过这些界面,当企业发展和技术进步时,可通过修改设计用的参数反映这些变化。数据库的开发利用主要涉及对产品数据和工艺数据的利用,对企业的经营活动以及实现材料定额管理等具有重要的意义。

4　结束语本系统采用分模块设计,具有可扩展性且维护和使用方便。但因该系统采用的是Access数据库系统,有较大的局限性。在条件成熟时,如能将其移植到MicrosoftSQLServer数据库系统中,采用Client/Server结构下开发,利用SQLServer多用户、高性能,建立关系型数据库,成为企业的数据源服务器,亦可使用ADO对象和控件建立与数据源的连接,满足分布式需求,功能将更加强大。(编辑:赵金库)

ISSN1000-3762CN41-1148/TH　轴承Bearing　2005年第4期2005,No.4 34-37　间点接触理论,Jones最早在滚动轴承受力分析的平衡方程中引入了高速效应,将作用于球上的离心力和陀螺力距作为外力列入平衡方程中,在“套圈沟道控制理论”假设的基础上,建立了拟静力学模型,Harris等人将该方法进行了发展和完善,并加以推广应用[1]。之后,Gupta在考虑了球体复杂的运动状态以及球、保持架和内外套圈等零件之间的相互作用后,从运动微分方程入手,提出了轴承动力学模型,并将滚动轴承的力学性能分析与时间联系起来进行实时模拟,依靠求解运动微分方程的方法而求得轴承的动力学特性参数[2]。近年来,国内外有关领域的研究人员在Harris、Gupta等理论研究成果的基础上,对高速运转条件下球轴承的力学特性做了大量的研究工作,并取得了相应的成果,如HagiuGD等人以高速磨床主轴为例,提出了一个球轴承的理论动态分析模型,在考虑了油膜油楔效应及赫兹接触弹性变形两方面因素影响的基础上,研究了高速角接触球轴承的刚度和阻尼等动态特性[3];杜迎辉等对高速精密角接触球轴承的刚度计算进行了研究,在计算每个球与内外圈沟道接触载荷和接触角的基础上,提出了一种计算球轴承在高速情况下径向刚度、轴向刚度和角向刚度的新方法[4];李松生、石苏琴等分别对高速精密角接触球轴承的内部受力和对转子的支承性能进行了分析研究,建立了拟静力学或拟动力学分析模型,并得出了相应的结论[5-6];TiwariR等在检测转子—轴承系统随机响应的基础上,对滚动轴承的非线性刚度作了评估,通过福克尔-普朗克(Fokker-Planckequation)方程对轴承—转子系统的动力学状态进行了模拟,用相应的算法来获得滚动轴承的刚度参数并进行了试验验证[7]。此外,世界各大轴承制造商和一些相关研究人员都很重视对滚动轴承动力学性能的分析研究。可以看出,多数研究是建立在拟静力学模型基础之上,涉及高速弹流润滑影响效应的研究较少,对轴承内部紊态运动(如升速和降速、载荷的瞬态变化等)对支承特性影响的研究则更少。1.2　球轴承内部零件的运动及接触表面的波纹所产生的振动对球轴承—转子系统动力学性能的影响 球以及内外圈沟道接触表面存在微小波纹时,会使轴承对转子的支承柔度发生变化,HarshaSP研究了由此而在轴承内部产生的附加振动,并指出,在球轴承中,沟道表面的波纹是球轴承—转子系统的一个重要激振源。轴承在高速运行时,由于沟道波纹的存在而使接触载荷发生脉动,

脉动的幅值取决于波纹度的幅值和接触刚度,由于接触载荷的脉动,在轴承内部产生了振动,对于平衡转子,由于轴承沟道波纹所引起的振动特性在不同的速度范围内是不同的[8]。GunheeJang

等在考虑了球的离心力、陀螺运动后,对两套或多套球轴承支承的刚性转子系统由于轴承零件接触表面存在波纹所引起的振动进行了研究,将球轴承内外圈沟道以及球等接触表面的波纹度用数学方程予以描述,建立了相应的分析模型,以赫兹接触理论来计算球轴承的弹性变形和接触应力,球的离心力、陀螺力矩以及球表面的波纹度都包括在动态约束和支配转子作非线性振动的平衡方程中,并由此而导出了转子的约束方程。研究表明,

球的离心力和陀螺力矩在确定由于球表面的波纹而产生的轴承振动频率(如主频、和声及边带等)方面扮演了重要角色,在由一套或多套球轴承支承的刚性转子系统中,由其中一套轴承表面波纹所产生的径向力、轴向力以及力矩的主频、和声等参数会通过转子传递给其他轴承,同时,边带效应不仅由一套轴承中不同球体波纹的相互作用而产生,而且也会由转子上其他不同轴承的球体表面波纹间的相互作用所产生[9];LynaghN则对高速

精密雕刻主轴中,由于轴承的球体表面存在波纹和尺寸偏差所诱发的转子系统的振动进行了研究[10]。另外,轴承内外圈因安装、温度变化等因素会导致轴承沟道变形,所产生的振动对球轴承—转子系统动力学性能会有影响,但在该方面的研究仍然是一个空白。1.3　轴承内部间隙、轴向预载荷及安装误差等对高速球轴承—转子系统动力学性能的影响 在实际应用中,高速轴系一般配置角接触球轴承,安装时要施加轴向预载荷。同时,轴承的安装会有不同程度的偏斜,有时轴承内部还会存在间隙,所有这些因素,都会对旋转机械转子系统的振动模态、动态响应等动力学性能产生不同的影响,对高速轴系球轴承—转子系统动力学的影响会更加突出。球轴承内部的接触为非线性的赫兹空间点接触,TiwariM等对球轴承支承的水平刚性非平衡转子以及水平平衡转子的非线性动态性能进行了分析,系统由变化的柔度和旋转频率进行激励,进而阐述了轴承内部径向间隙对球轴承—转子系统动态响应的影响效果[11];LeeYS等

对球轴承—转子系统由于轴承安装偏斜所引起的

・53・李松生等:高速轴系球轴承—转子系统动力学的研究与发展振动进行了比较系统的分析,建立了相应的球轴承—转子系统动力学模型,并在试验装置上进行了广泛的试验验证,对轴承在转子上安装偏斜的类型以及相应的系统动态响应情况进行了总结[12];PandaKC等对有轴向预载荷的球轴承支

承的轴承—转子系统的最佳支承性能进行了研究,指出同时达到最小的不平衡响应和最大的稳定速度是获得最佳支承的基本优化条件[13];Mo2

hammedAAlfares等对施加有轴向预载荷的角接触球轴承对磨床主轴动力学性能的影响效果进行了研究,结果表明,轴承的预载荷有减小主轴振动、提高工件表面磨削质量的作用[14]。然而,外载荷的性质及量值无疑对轴承的支承性能会产生较大的影响,但目前还缺乏该方面的研究成果。1.4　高速旋转机械球轴承—转子系统的模态分析 SmithJD研究了滚动轴承支承的转子系统的smith冲击通过轴承的传递方法[15]。TiwariM等

对支承于球轴承上的不平衡转子的动态响应进行了研究,并在试验中对随着速度的变化,转子动态响应的失稳和混沌现象进行了分析,同时对改变轴承柔度和径向游隙对转子动态响应的影响结果进行了论述[16];HarsshaSP等研究了与球轴承有

关的平衡转子的速度对转子系统非线性振动的影响,分析结果以位移响应、频谱和庞加莱图表示[9];YangJP等对球轴承支承的计算机硬盘驱

动器主轴系统的振动进行了研究,建立了相应的力学模型,提出了预测和改进主轴系统振动的方法[17];陈全兵等对超高速角接触球轴承—轴系进

行了动态分析[18];李松生等对球轴承支承的高速

电主轴轴系的动态特性进行了初步研究,指出随着转速的提高,球轴承的支承刚度在减小,因此降低了转子的临界转速和动态刚度[19]。在该方面,

如何合理地处理边界条件和对高速轴系球轴承—轴系进行动态实时模拟以及计算机仿真仍有待取得突破。

2　存在问题以及新的研究方向近年来有关高速轴系球轴承—转子系统动力学方面的研究非常活跃,但是,由于开展研究的历史不长,还没有建立起完整的系统理论研究体系,

在许多方面仍然有待进一步深化,有许多新问题需要研究和解决。目前,有待深化和进一步研究的方向主要有以下几方面。