高速滚动轴承保持架自由振动特性研究

　收稿日期:2000203202　作者简介:周延泽(1964-),男,河北海兴人,在职博士生,100083,北京.

高速滚动轴承保持架自由振动特性研究

周延泽 王春洁 陆　震

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院)

摘 要:通过对航空发动机主轴承保持架自由振动的计算分析,表明:保持

架不存在小于751.12H z 的固有频率;在整体按圆环的规律振动的同时,过梁和侧梁存在弯曲、剪切等局部振型;由于保持架的转动,存在不相等且与转动速度相关的前后行波频率,保持架可能共振的频率数目增多,而保持架又受到多种周期性的干扰,高速转动时更易激发共振,造成破坏,因此在设计中必须对保持架的振动问题给予重视.

关　键　词:滚动轴承;保持架;自由振动中图分类号:TH 133.33+4文献标识码:A 文章编号:100125965(2001)0520596204

保持架作为滚动轴承的组成元件,将滚动体沿圆周均匀地分开.在一般用途的轴承中,由于转速较低,保持架都能够满足工作要求.但是在航空发动机主轴承中,由于工作条件苛刻,转速高,对保持架也提出了较高的要求,特别是其动力特性直接影响到滚动轴承的性能和寿命.空军某机型主轴球轴承就曾多次发生过因保持架疲劳断裂造成的轴承失效,因此在设计中需要对保持架的动力学性能进行较为精确的计算和估计.国外在这方面的研究主要关注的是保持架的运动与不稳定性问题

[1]～[4]

,国内的研究比较少,对于其振动方

面的研究则鲜见报道.

航空发动机主轴承保持架一般为整体结构,为增大轴承承载能力和减轻重量,滚动体较多,滚动体间的距离较小,因而保持架结构柔性较大易变形;由于沿圆周方向质量不均匀,变形沿周向也不均匀;高速旋转的保持架类似于圆环,有圆环平面内的振动,同时有在垂直于环的平面内弯曲与扭转振动;由于采用套圈导引,因此变形受到限制,为约束振动,在振动分析中必须考虑相应的约束条件;激发振动的因素很多,其中球、套圈对保持架的冲击碰撞是直接因素,且规律比较复杂.保持架的各种振动将引起动应力,从而影响到其疲劳寿命,为此有必要对其振动特性进行研究.本文用有限元法对保持架在自由状态下的自由振动特性进行了研究.

1　保持架的自由振动

1.1　计算模型

以某航空发动机主轴球轴承为例进行计算分析.轴承参数为:内孔直径90mm ,滚动体数14,滚

动体直径22.225mm ,保持架材料为青铜合金,弹性模量E =1.05×1011Pa ,泊松比0.33.

有限元动力分析程序很多,本文采用Alg or (有限元计算程序)程序计算.考虑到保持架的形状及局部振型,有限元模型网格划分较密,共分为1008个8节点三维块单元,2296个节点.保持架在工作过程中,由外圈引导转动,计算中取自由边界条件.

本文计算了其前50阶自由振动的频率及相应的振动模态,由此可以研究其共振、变形及应力状态.

1.2　自由振动模态

保持架是圆环类零件,其振动具有环类零件振动[5]的特征,将计算结果进行归纳,其振动模态主要有以下几类.

1)环平面内的弯曲振动,即环平面内保持架沿圆周方向规则变形,如图1所示为周向波数n 分别为2,3,4时的模态.表1是计算得到的部分面内弯曲振动频率.因为保持架在圆环平面内的弯曲刚度较小,所以振动频率较低,因而在实际应用中也比较容易被激发,研究也最多.这种弯曲振

2001年10月第27卷第5期北京航空航天大学学报

Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics October 2001V ol.27　N o 15

动将在保持架横截面内产生交变的弯曲应力

. a n =2 b n =3 c n =4

图1　面内的弯曲振动

2)面外扭转振动,如图2所示是计算得到的

保持架整体倾斜和伞形振动两种模态及其频率f .整体倾斜将对过梁产生剪切作用,

梁截面承受剪应力,而伞形振动则对侧梁产生拉压作用,梁截面承受循环正应力.

a 整体倾斜,f =5

675.8H z b 伞形振动,f =7829.9H z

图2　面外扭转振动

3)沿圆周方向的弯曲振动与扭转振动的耦合.如图3所示为频率较低的周向波数分别为2,

3,4时的模态,部分振动频率列在表2,这种模态是环横断面扭转与母线轴向振动的耦合振动.由于扭转作用,在保持架的横截面上产生径向剪切,而母线沿轴向位移的弯曲会产生轴向剪切和弯曲应力,这两种剪切使侧梁截面上的应力状态变得复杂;兜孔的存在又消弱了其周围的刚度和强度,剪切对兜孔侧梁处的强度可能有较大影响,同时其振动频率也比较低,最低频率仅高于面内弯曲,在低于5075.1H z 的频段内,这种模态与面内弯曲振动交替出现,也比较容易激发,应给予足够重视.

a n =2

b n =3

c n =4

图3　弯扭耦合振动

表1　面内振动频率

周向波数n 23

456

7

频率f /H z

751.12

2101.90

3960.50

6244.40

8831.80

10985.00

12638.00

表2　面外弯曲扭转耦合振动

周向波数n 2345

频率f /H z

1121.7

5277.0

3018.9

6318.7

5075.1

8021.6

6939.3

10252.0

4)周向伸缩与侧梁、过梁弯曲耦合振动.周向伸缩也是圆环类零件振动的基本模态之一,但是对于保持架来说,由于其结构特点,在整体上周向伸缩的同时伴随着侧梁和过梁的局部弯曲.图4所示是其中3种模态从两个方向观察的形状及其对应的频率,其中图4a 为沿圆周均匀伸缩.

a f =6594.3H z

b f =9654.3H z

c f =11481.0H z

图4　伸缩与梁弯曲耦合振动

从图4中可以看出,伴随着周向的伸缩,侧梁和过梁发生弯曲.周向伸缩和梁的弯曲变形叠加使侧梁截面上的正应力加大,过梁的弯曲则产生对称交变应力.这种振动的频率较高,由此引起的

变形对于侧梁和过梁均有影响.

5)保持架两端面发生相对转动.这种振动中,保持架两端面相对转动,使其母线在垂直于半径的面扭转,如图5所示.振动变形将对过梁产生剪切,同时侧梁有弯曲,如果这种振动被激发,影响最大的是过梁的强度.

f =9123.0H z

图5　两端面相对扭转振动

1.3　结果分析

从以上计算结果可以看出,保持架自由振动

具有以下特性:

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95第5期 周延泽等:高速滚动轴承保持架自由振动特性研究