滚动轴承的动态特性的实验研究

滚动轴承的动态特性的实验研究

摘要：研究了旋转条件下，不同参数对角接触球轴承的刚度和阻尼的影响。由于原油粘度的依赖性的特点，轴向和径向预紧力对轴承动态特性有最显著的影响作用。轴承部件的差温加热也可以是一个非常敏感的因素。由此得出结论：轴承和外壳之间的结合面对装配轴承总的动态特性有显著的影响作用。

关键字：轴承，动态，结合面，预载

一介绍

滚动轴承在大部分的旋转机械中是使用最广泛的部件之一。由于它们一直在轴和外壳之间的振动传输路径中，轴承的行为对设备的动态性能具有实质性的影响。描述这种行为的关键因素是轴承的刚度和响应阻尼。有关滚动轴承动态特性的知识有助于优化旋转机械的操作条件以使其增加可靠性和使用寿命，从而提高其经济效益。关于这一领域有很少的实验数据。Dareing和Johnson做过两个钢片连接处可用阻尼的相关实验。他们的实验工作指示在接触表面的接口存在数量相当可观的由润滑剂产生的阻尼，并且阻尼随着润滑剂粘度的增加而增加。Elsermants 等人摒弃径向和轴向轴承动态特性，但是他们提出一种试验方法来衡量一个圆锥滚子轴承的倾斜特性。他们的工作总结了倾斜刚度和倾斜阻尼随着轴向预紧力的增加而快速的增加并随着转速的增加而缓慢的减小。Walford和Stone等人测量了角接触球轴承的径向特性。结果显示随着轴向预紧力及润滑剂粘度的增加，刚度增加并且阻尼减小，尽管随着力幅值和激励频率的增加刚度会减小阻尼会增加。Kraus等人提出一种实验研究方法，在非对称转子试验台上增加两个深沟球轴承来研究在径向和轴向轴承阻尼中的速度、各种不同的预载荷以及轴承松动。实验显示阻尼随着速度的增加而增加，尽管预载荷与径向和轴向方向上的阻尼

有相反的效果。根据Elsermans等人和Zeillinger等人的实验结果显示了对球轴承阻尼系数计算的相关实验工作。在这些工作中，可能会注意到一点就是联合有助于阻尼性能并且界面阻尼很大程度上受外壳界面间隙的影响。低联合间隙导致高刚度，并且在在接触表面没有能量逸散。Dieltle等人研究了滚动轴承阻尼性能的测量与计算，并且他们发现阻尼受润滑膜分离滚动体与滚道的影响很大。Lambert等人提出适合使用Walford方法来测量的圆锥滚子轴承的一些刚度和阻尼性能的实验结果。主要的结论是：润滑油的粘度对轴承的刚度和阻尼有微小的影响。

至于理论研究，Gargiulo等人发展了一系列方程式来估算滚动轴承的初始刚度值。这些方程式的派生归因于Palmgren的基础分析，他曾经为不同类型的滚动轴承提出一些偏斜方程式。当只用一种类型的载荷（径向或轴向）时，这些方程式是有用的。Harsha使用Hertzian的弹性接触变形理论研究了基于滚动轴承的平衡刚性转子的动态响应。Dowson等人从理论上研究了轻负载的刚性润滑气缸组合滚动、滑动和正常运动的问题。作者提出了挤压模会增强润滑膜的负荷能力。Hunt和Crossley等人提出了一种弹性体之间振动影响的理论模型。该模型可以用来计算能量损失和响应的非线性阻尼系数，因为滚动轴承在Hertzian连接区域内的材料变形并且为了减少材料丢失证明了粘性阻尼法的有效性。考虑到表面粗糙度的影响，Sarangi等人为润滑球轴承的刚度和阻尼材料提出了一种数字解决方案。一种转子-轴承系统的动态研究正在进行，并且他们建议润滑点的接触阻尼不容忽视。

基于文献回顾，可以说报告的数据部分是不完整的，矛盾的。例如，Elsermans等人假定在他们的研究中主轴轴承的装配整体阻尼完全是由于圆锥滚子轴承阻尼的倾斜，在这方面忽视了径向阻尼，尽管Walford和Stone集中精力与各类滚动轴承的径向特性并且强调在径向方向上的阻尼油显著的水平。Walford和

Stone总结为刚度随润滑剂粘度的增加而增加，阻尼随润滑剂粘度的增加而减少，而与Dareing和Johnson提出的阻尼对润滑剂粘度的增加而增加的理论是相反的。

审查工作的一个显著特点是，轴向和径向预加载系统一旦组装它是不可能控制的。因此，在本文中，决定设计一个综合的试验台，它能够测量滚动轴承的动态特性与外部操作条件的变化，使之能够确定结合滚动阻尼的重要性，从而避免了先前的测试平台的限制。

二实验装置

在图一中的测量实验装置表明试验台包含一个由两个轴承座支撑的轴，延伸超过刚性支撑轴承以便于轴承测试组件可以很容易的被安装或拆卸。通过在轴向和径向方向上预加载两个气压泵来支撑测试轴承。装置由带无极变速器的电机来驱动，并且轴转速由MM0024类型的光电式转速探测器（英国本特利内华达品牌）来决定。

系统由三种模式的冲击锤来激励，三种振力水平在表一中有说明。

图二显示的是测试轴承装置的纵断面。实验轴承是安装在一个刚性外壳当中。外壳由端盖进行封闭，以便于轴向预紧力可以应用于轴承外部，当然径向预紧力也可以被应用通过直接固定在外壳上的气压泵。轴承由一个重力给水系统来润滑并且由通过顶盖上的先导孔的一个水龙头来调节。

选用30mm孔单列角接触轴承（FAG7206B）来进行测试，轴承内环到轴的契合距离为-13um。外环和外壳之间的期和距离是+13um，并且研究轴承到外壳之间契合距离为+74um时联合接口的效果。

使用A3300XL8mm的临近转换系统（本特利内达华品牌）来测量实验轴承和轴之间的相对位移。临近探测器是涡流式的。外壳的加速由4383型压电加速度计来测量，它通过临近探测器的磁铁固定在轴承外壳上面。临近传感器，加速度计，转速计探头和冲击锤的信号是由一个3560-C型号的脉冲分析仪（数据采集设备，Bruel和Kjaer品牌）来分析的。它是一个多通道分析仪系统，其中包括有Lan接口的PC机，脉冲软件，Windows2000，XP或Windows Vista操作系统，微软办公软件，数据采集硬件。该系统包括时间捕获和快速傅里叶分析仪。每次试验进行数次，在非常相似的条件下使用相同的轴承，以确保结果的可重复性。

三试验台原则

轴上的相对位移跨轴承的力的比值有Walford和Stone提出，为所需特性来推断可由频率函数测量的阻尼和刚度。因此，由于该理论的重要性，经常在目前的工作中应用。装置建模如图三所示。

轴和壳体都被人为是刚性体，并且座圈，球以及保持架的质量被认为是可以忽略的。拥有轴和外壳的轴承的刚度作为一个单独的刚度，由轴上的力（F）给出并由轴承的横跨位移（Ur）进行划分。