[发明专利]一种含保持架断裂的球轴承-转子系统动力学建模方法

说明书

本发明属于机械力学技术领域，提出了一种含保持架断裂的球轴承‑转子系统动力学建模方法。具体步骤依次为：建立含滚珠分布误差的球轴承模型；基于球轴承模型进行球轴承‑转子系统动力学建模；系统动力学模型求解；建立基于牛顿拉普斯和纽马克贝塔嵌套迭代的模型求解方法。本发明将保持架断裂等效为滚珠分布误差，进行表征保持架的断裂故障。考虑滚珠的离心及陀螺效应、接触变形与接触刚度的双向耦合影响以及三维游隙，建立了球轴承‑转子系统非线性动力学模型。提出牛顿拉普斯与纽马克贝塔嵌套迭代方法，解决轴承拟静力学模型与转子系统动力学模型的耦合问题。本发明所提模型可为轴承转子系统的结构设计及健康运维提供技术支持。

技术领域

本发明涉及机械力学技术领域，具体涉及一种含保持架断裂的球轴承-转子系统动力学建模方法。

背景技术

在轴承与转子系统耦合方面，“Paroxysmal impulse vibration phenomena andmechanism of a dual–rotor system with an outer raceway defect of the inter-shaft bearing”以及“Nonlinear vibration response of a complex aeroengine underthe rubbing fault”等文章中针对拟静力学模型等得到的时变轴承刚度进行拟合或插值，并将其组装到系统的刚度矩阵中，然后再进行系统动力学计算及分析。然而这样的做法无法准确处理轴承的三维游隙对系统非线性动力学特性的影响。此外很少有人建立过含保持架断裂的轴承及轴承-转子动力学模型。

本发明建立了含保持架断裂的球轴承-转子系统的动力学模型，提出了一种用于模拟保持架断裂的等效方法，以及一种基于牛顿拉普斯和纽马克贝塔的嵌套迭代求解方法。该方法将轴承拟静力学模型与转子系统动力学模型进行完美耦合，可以较好地考虑轴承内部的三维游隙，接触刚度与接触变形之间的双向耦合关系，以及滚珠的离心和陀螺效应对转子系统非线性动力学特性的影响。同时考虑了保持架断裂故障。

发明内容

本发明考虑滚珠的离心及陀螺效应、接触变形与接触刚度的双向耦合以及三维游隙，建立了深沟球轴承的转子系统非线性动力学模型。将保持架断裂故障等效为滚珠分布误差，引入系统动力学模型，建立了一种含保持架断裂故障的轴承转子系统动力学模型。最后提出了一种基于牛顿拉普斯和纽马克贝塔嵌套迭代的模型求解方法。所提模型可为轴承转子系统的结构设计及健康运维提供技术支持。

建模首先具有下面设定条件：

⑴轴承被视为刚度单元或支撑力，忽略其质量；

⑵润滑及温度的影响被忽略；

⑶滚珠与滚道之间的接触满足赫兹接触条件。

本发明的技术方案：一种含保持架断裂的球轴承-转子系统动力学建模方法包括如下步骤：

步骤1.建立含滚珠分布误差的球轴承模型。

明确轴承节点在任意时刻下的自由度，以及轴承模型几何关系和受力情况，其中，轴承节点的自由度可通过振动位移U_b表示：

U_b＝[δ_x δ_y δ_z θ_x θ_y]^T,(1)

式中，δ_x和δ_y表示轴承节点的径向振动位移。δ_z表示轴承节点的轴向振动位移。θ_x和θ_y表示轴承节点的倾覆方向振动的角位移。

含有保持架断裂引起的滚珠分布误差的深沟球轴承示意图如图1所示。正常状态下，滚珠的分布角为然而，由于保持架失效引起的滚珠分布误差为