[发明专利]液体火箭发动机高速重载球轴承接触动态特性仿真方法

说明书

本发明公开了一种液体火箭发动机高速重载球轴承接触动态特性仿真方法，其主要实现步骤是：1、求解出球轴承接触法向应力；2、以接触法向应力为基础，建立液体火箭发动机低速重载球轴承模型；3、在与步骤2同样的工况下，基于拟静力学分析理论，建立液体火箭发动机高速重载球轴承模型；4、以低速重载球轴承静态接触力学特性计算值作为初值，代入高速重载球轴承模型，通过双种群的协同进化粒子群算法进行迭代，计算出每个滚珠的接触动态特性；通过该方法可获得液体火箭发动机球轴承从静态到动态、单载荷到联合载荷以及低转速到极高转速下的接触动力学特性参数以及变化规律。

技术领域

本发明属于液体火箭发动机球轴承动力学特性领域，主要涉及一种液体火箭发动机高速重载球轴承接触动态特性仿真方法。

背景技术

轴承是传递运动和承受载荷的重要支承转动部件，广泛应用于航空宇航推进系统、船舶工程以及精密仪器等重大装备技术领域。在液体火箭发动机涡轮泵转子系统中主要采用球轴承，是因为其具有制造精度高、极限转速高、承载能力强且能同时承受径向载荷和轴向载荷等特点。

球轴承是由滚珠、内圈、外圈和保持架等结构要素构成的，其动态特性包括滚珠与内、外圈的动态接触角、接触载荷、接触变形和接触刚度以及旋滚比等，但最为关注就是滚珠与内、外圈的动态接触角。

传统设计方法通常将球轴承视为标准零件，这对于一般的运动可以满足要求，但是对于现代高速度、高精度和高承载的重大装备系统，球轴承运行工况的复杂性及服役性能的高要求远不同于一般轴承，其动态特性是影响装备系统工作性能和产品质量的关键指标，如随转速变化的球轴承接触刚度。

随着航天液体推进技术的进步，液体火箭发动机日益朝着大推力、高转速、高低温环境以及高可靠性等方向发展，球轴承作为液体火箭发动机涡轮泵转子系统的关键组件，其工作环境变得非常苛刻。一般认为DN（轴承内径（mm）×转速（r/min））值超过0.6×10⁶mm·r/min为高速球轴承，而在液体火箭发动机中，球轴承的DN值达到了2.5×10⁶mm·r/min，且径向当量动载荷Pr与额定动载荷Cr的比值往往大于0.15，因此可视为高速重载球轴承。在高速重载球轴承中，由于滚珠打滑、疲劳、磨损等引起的轴承失效经常发生，直接导致转子系统精度降低，振动急剧加大，严重时会导致球轴承表面金属脱落，进入液体火箭发动机泵腔中，而发动机涡轮泵处于高压（大于10MPa）、低温液氧环境，极易导致发动机起火爆炸。但是由于球轴承动力学模型的非线性方程组众多，且对迭代初值敏感，求解不易收敛。因此，目前急需一种能够获取高速重载球轴承动态参数方法。

发明内容

为精确获得高速重载球轴承的动态参数，本发明提出一种液体火箭发动机高速重载球轴承接触动态特性仿真方法，通过该方法可获得液体火箭发动机球轴承从静态到动态、单载荷到联合载荷以及低转速到极高转速下的接触动力学特性参数以及变化规律。

本发明的基本思路是：

提供一种仿真方法，基于低速重载球轴承模型所获得静态接触力学参数作为初值，代入高速重载球轴承模型中，同时引入协同进化粒子群优化算法，从而获得液体火箭发动机球轴承的动态接触力学参数。

本发明的技术解决方案是：

提供了一种液体火箭发动机高速重载球轴承接触动态特性仿真方法，包括在仿真软件下执行的下列步骤：

步骤1：采用基于半无限长空间Hertz弹性理论，建立法向接触问题方程，再结合线性回归的最小二乘法对法向接触问题方程进行简化运算，求出球轴承接触法向应力；

步骤2：不考虑高速下离心力和陀螺力矩的影响，以接触法向应力为基础，建立液体火箭发动机低速重载球轴承模型，通过迭代计算获得球轴承的静态接触力学特性；所述球轴承的静态接触力学特性包括球轴承无量纲径向变形、球轴承无量纲轴向变形、球轴承的接触角以及球轴承接触等效刚度K_n；