高速精密球轴承振动激励定量化分析的非线性相关理论与减振技术研究

Vibration is an important performance index for high-speed precision ball bearings. This project focuses on the quantitative analysis method for vibration excitations and vibration decrease techniques of high-speed precision ball bearings. To quantitatively evaluate the influences of different excitations to vibration, a nonlinear correlation identification method will be proposed based on Volterra series model of nonlinear systems and signal correlation theory of muti-input/muti-output systems, in which the frequency modulation effects are taken into considered. .By applying this method to ball bearings' vibration analysis, the critical excitation factors in ball bearings can be found in experiments. Then the corresponding measures can be proposed to decrease the influences of critical excitations to vibration. As for the shape errors of inner race and outer race formed in machining processes, the relevant processing technologies are researched and improved to decrease the corresponding effects on vibration, and a method of error evaluation is proposed to control the magnitude of shape errors in machining processes. As for the excitations related to cage, the dynamics of vibration induced by friction and collisions will be analyzed, and then the characteristics of this kind of vibration will be obtained. In addition, the structure and dimensions of cage will be improved to decrease the vibration induced by cage..The research of this project will promote the development of vibration detection, analysis and decrease techniques of high-speed precision ball bearings.

振动是高速精密球轴承的一项重要性能指标，本项目将针对球轴承内部激励因素对振动影响的定量化分析方法及减振技术展开研究。基于Volterra级数模型和多输入多输出系统的相关性分析理论，推导出一种用于非线性振动系统激励因素分析的相关性辨识方法，该方法考虑了非线性系统的频率调制作用，能够在频域中定量地评估各激励因素对振动产生的影响。.利用上述分析方法，得出对高速精密球轴承振动影响较大的内部激励因素，进而针对性地采取措施，减小精密球轴承的振动值。对于内、外圈沟道的形状误差激励，通过改进套圈加工工艺减小其对振动的影响，并提出相应的误差评定方法和指标，用于在制造过程中控制沟道形状误差的大小；对于保持架运动不稳定产生的激励，分析摩擦与碰撞的动力学机理及其振动的频率特征，通过改进保持架结构和尺寸来减小其对振动产生的影响。.本项目研究对于高速精密球轴承振动检测、分析与减振技术的发展具有一定的推动作用。

针对高速精密球轴承的振动激励因素定量辨识与减振技术，从以下几方面展开研究。.第一，基于Volterra级数模型和非线性频率响应函数，提出了非线性振动系统输入与输出相关性的辨识方法，该方法可用于定量评估滚动轴承内部各激励因素对轴承振动影响的大小，得出主要激励源，从而可以采取针对性措施，减小轴承振动值。.第二，针对轴承套圈沟道的高阶波纹度误差分量，提出了一种评定方法和评价指标，即利用形状误差激励的加速度频谱幅值计量高阶波纹度误差的大小，该方法突出了高阶波纹度误差的振动激励作用，从而可在轴承制造过程中进行控制，减小轴承的振动值。.第三，面向高速球轴承，提出了一种新的保持架运动引导方式，即保持架由外圈和滚动体混合引导，设计了能够实现这种引导方式的保持架，即外锁口兜孔结构保持架。当保持架在径向平面发生偏移时，滚珠与兜孔之间的作用力有利于保持架向偏移量减小的方向运动，从而能够提高保持架运动的稳定性。基于弹性体的摩擦与碰撞理论，建立了混合引导保持架的拟动力学模型，并加工出了外锁口兜孔结构保持架样件。试验结果表明，在同等条件下，采用这种保持架能够使轴承的振动功率值降低至279.6μW,比用直兜孔结构保持架的轴承振动功率（1175.59μW）减小了76.2%。因此，混合引导保持架能够显著降低轴承的振动水平，在高速机床主轴等领域内有良好的应用前景。.第四，为了减缓高速轴承磨损引起的振动，延长精度寿命，提出一种利用升温激光冲击强化技术提高轴承套圈滚道表面强度及耐磨性的方法。该方法通过加热装置将轴承套圈加热至一定温度，使滚道表层材料发生动态应变时效效应，并产生高密度的位错和位错缠结，从而提高表层材料的强度和残余压应力场的稳定性。研究了镁合金ZK60的激光冲击强化工艺，该材料具有很高的比强度，在航空轴承领域内具有良好的应用前景，但因耐磨性能较低，限制了其应用。利用激光冲击强化技术提高了镁合金ZK60的耐磨性,从而为其在滚动轴承中的应用提供了一种可行途径。