高速滚动轴承动态性能分析的研究进展探析

高速滚动轴承动态性能分析的研究进展探析

胡学军

常州克劳诺斯特种轴承制造有限公司 江苏常州 213000

摘 要：本文基于高速滚动轴承动态性能分析理论基础，通过建立动力学有限元模型，对轴承动态等效应力、速度特性和振动特性等研究进展进行综合探析，分析目前研究中不足和进展，不断提升轴承产品质量，从而满足我国工业发展对高性能滚动轴承的高质量需求。

关键词：高速滚动轴承；动力学；动态特性分析；研究进展

随着我国航空航天和装备制造业蓬勃发展，对其中关键零件滚动轴承的精度、性能、寿命、可靠性等提出了更高要求，尤其动态性能对保持架稳定性的控制，成为人们关注重点和主要研究方向。在这其中，保持架不稳定或者断裂是高速滚动轴承动态性能失效的一个主要形式。本文对高速滚动轴承动态性能分析的研究进展进行深入探析，了解润滑剂损失、保持架稳定涡动机理、磨损零件几何参数变化等因素造成的影响，探寻优化保持架动态性能措施。

1 高速滚动轴承动态性能分析理论基础

高速滚动轴承是机械装置中传递运动和承受负载重要支撑零件，主要通过滚动体和内外滚道之间的滚动接触支撑旋转部件，在我国航空航天、数控机床、国防技术等领域广泛应用^[1]。但同时，滚动轴承也是引发机械设备故障失效主要因素之一，有超过30%的机械设备故障原因为轴承故障，高速滚动轴承故障将进一步增加轴承振动频率，倘若不及时发现和排除故障，很有可能引发重大设备故障。

高速滚动轴承有轴承内/外圈、滚动体和保持架组成，整体结构看似简单，实际上包含复杂耦合关系和接触关系，且轴承工作条件和工作用途不同，轴承结构也会适当变化^[2]。滚动轴承性能指标主要有刚度、摩擦力矩、振动、最小油膜厚度、噪声、轴承发热等，均会因温升、磨损、润滑和摩擦等因素，导致高速滚动轴承出现磨损失效、接触疲劳失效、断裂失效、腐蚀失效、胶合失效、压痕失效、间隙变化失效故障，导致轴承性能退化。由此可知，高速滚动轴承的失效与轴承发热状态、接触应力及润滑状态之间的关系，为后续分析高速滚动轴承动态性能提供理论依据。

2 高速滚动轴承动态性能分析

高速滚动轴承是我国高精度数控机床主轴传动系统重要组件，其性能及运行状态直接影响数控机床整体运行性能和工作效率，一旦主轴运转速度过高，就会引发轴承滚动体和滚道接触应力、形变的改变，继而对主轴运行状态造成影响。本文以某高精度数控机床为例，急用CATIA软件建立三维立体模型，利用有限元分析软件进行分析和模型构建，最后将有限元分析模型导入动力学分析软件中，分析振动速度、加速度、应力等动态特性。

2.1 动力学基础理论及与有限元模型

在设计制作高速滚动轴承时，材料和尺寸参数会出现一定误差，继而导致滚动轴承动态特性的改变。高精度数控机床轴承振动主要受自身结构、外部冲击、轴承故障等因素影响，对其进行动态分析时，主要研究传递系统中，轴承动态特性与机械设备动态特性之间的联系，研究轴承运动规律、振动速度、应力变化等理论基础，以提高轴承运行稳定性和精确度。根据高速滚动轴承组成，滚动体与滚道之间的基础具有非线性特点，利用显示分析方法能够准确获悉轴承动态特性^[3]。本文根据基础实际情况，采用面－面接触方式定义轴承各部件接触模式，确定动/静摩擦系数分别为0.1、0.2。由此建立主轴支撑实体模型，轴承内外径分别为35mm、62mm，滚动体直径为7.2mm，滚动体个数为17个，轴承节圆直径为48.5mm。

2.2 轴承动态特性分析

速度特性分析。正常健康轴承运行中，轴承的运行速度与周期波动类似^[4]。启动初期，外部荷载还没有施加，轴承需要承受较大的径向荷载，整体运行速度波动较大；启动过程中，随着运转速度趋于平稳，外部荷载逐渐增加，轴承运行速度开始提升，整体运行较为平稳，轴承平均速度控制在5000~8000mm/s之间，瞬时轴承运行速度发生较大突变。外圈落缺陷轴承速度时间与健康轴承相对一致，平均速度比健康轴承大100mm/s，整体平均运行速度在6500mm/s左右，随着轴承速度波动增加，速度变化频率逐渐增加，轴承速度较大的运行速度出现频率也大幅增加。这说明，当轴承外圈存在剥落缺陷时，轴承运行速度也会出现剧烈变化，速度变化也较为剧烈，这与实际运行情况基本一致，说明该虚拟模型具有一定真实性。

振动特性分析。根据轴承加速度变化曲线，正常健康轴承运行中，启动初期，轴承运转振动加速度较小，当轴承荷载逐渐增加，一段时间内振动加速度会出现较大波动，持续一段时间后，运行速度逐渐平稳，振动加速度也逐渐平稳。当轴承外滚道存在剥落缺陷时，启动前0.02s，外部荷载施加后，轴承运行变动剧烈，加速度变化也异常剧烈，变化区间大；启动0.04s左右，轴承振动加速度也较为剧烈，这是因为滚动体经过缺陷或损伤位置。而在启动0.02s之后，轴承振动加速度相对平稳，加速度变化范围也相对较小。这说明外圈剥落缺陷对轴承振动加速度影响较大，在轴承高速运转期间，一旦轴承内部元件出现缺陷或者损伤，会引发滚动体运行状态剧烈变化，加剧剥落程度，继而对高精度数控机床整体运行可靠性造成影响。

3 高速滚动轴承动态性能分析的研究进展

伴随CAE技术进一步完善和发展，相关ANSYS、MARC、ABAQUS等商业软件功能逐渐成熟，为利用有限元软件分析复杂缺陷几何形状高速滚动轴承提供支持。夏新涛、常振等人便建立起了轴承振动性能变异预测模型，用以评估和预测滚动轴承振动性能。秦荦晟等人将 Bootstrap方法和Bayes 分析相互融合，基于轴承小子样的样本数据和Gumbel-Copula 函数，开展寿命预算估计以及竞争失效下轴承可靠性评估，显著提升轴承可靠性评估的准确性，取得很大进展。同时，哈工大航空航天工程学院王黎钦等人，针对轴承开展多年研究，开发创建了许多专业分析软件，如动力学分析、热分析，为我国高性能高速滚动轴承发展打下夯实基础。我国利用有限元分析滚动轴承动态性能特性的研究时间较短，但经过众多研究学者努力钻研和不懈奋斗，也取得了一定成效。如，于洁等人主要针对高速滚动下轴承内部产生的大量热量展开分析，基于轴承内部生热对其性能影响建立多个模型，分别针对不同荷载和速度下轴承动态特性和热特性关系进行细致分析比对，发现轴承动态性能影响主要因素之一是内部热变形，也是引发轴承“卡死”故障主要因素。邓四二等人重点分析航空发动机主轴高速滚动轴承保持架动态性能，基于ADAMS软件，建立了轴相应承刚柔耦合动力学模型，取得了一定成效。王家序等人借助ABAQUS软件，对有无固体润滑涂层条件下，轴承各部件动态接触应力和运动状态展开分析，发现有固体润滑涂层时，可以显著降低轴承接触应力，降低轴承损害概率，延长轴承使用寿命。

结束语

总而言之，在高速滚动轴承动态性能分析研究中，主要考虑不同工况下，轴承应力和应变相应特征，关于轴承振动特性响应、轴承缺陷动态响应等方面的研究略显不足，关于轴承动态和渐变可靠性等方面的研究几乎处于空白状态，还需进一步加大研究力度，这也是未来高速滚动轴承重要研究方向之一。

参考文献

[1]刘伟. 考虑热效应和表面缺陷的滚动轴承性能分析[D].北京理工大学,2016.

[2]史修江. 航空发动机主轴轴承动态性能和热弹流润滑状态耦合分析[D].哈尔滨工业大学,2018.

[3]张魁. 滚动轴承—转子系统线性互补动力学建模及其振动特性研究[D].大连理工大学,2020.

[4]佟耀力. 高速滚动轴承弹流润滑及动力学性能研究[D].浙江工业大学,2020.