考虑缺陷的高速/高精密球轴承非线性动力学行为研究

Since rolling bearings serves as the important supporting parts of the transmission system, their dynamic characteristics have significant effects on the performance of equipments. The dynamic behavior of ball bearings depends mainly on two factors. One is the external input (stimulation), and the other is the internal excitation caused by inner defects of the system. The aim of this project is to study the nonlinear dynamic behavior and the stability problems of the high speed / high precision ball bearings with consideration of defects. The project focuses on the following aspects:1) Developing a model for the lubricated contact problems with consideration of defects, and finding the patterns of the effect of the oil film on the bearing stiffness and damping; 2) Based on the principle of coordinate equivalence instead of the raceway control assumption, developing a quasi-dynamical analysis model of rolling bearing with consideration of the inertial effect, gyroscopic moment and contact lubrication effect etc, systemically studying the effect of the key design parameters of bearing on its characteristic parameters; 3) With consideration of various kinds of defects, developing a dynamic model, with 5 degrees of freedom, of rolling bearing which includes the effect of multi factor coupling, and developing efficient algorithms in order to study the effect of high-speed inertia effect, the gyroscopic moment and lubrication on the dynamic performance of bearing, revealing the laws of bearing dynamics behavior and the stability in different service conditions; 4) Systemically studying the effect of different types of defects on the dynamic behavior and stability of bearing, Revealing the inherent mechanism of the effect of defects on bearing performance. The study will provide theoretical basis for improving the dynamic performance of bearing, and propose technical requirements for controlling bearing defects.

作为重要的支承部件，滚动轴承的动态性能直接影响机械装备性能。轴承的动力学行为主要由两方面决定，系统的外部输入(激励)和系统内部各种缺陷造成的内部激励。本项目研究考虑缺陷的高速/高精密滚动轴承非线性动力学行为及其稳定性问题。研究内容包括：1)建立考虑表面缺陷的润滑接触模型，研究润滑油膜对轴承刚度及阻尼的影响规律；2)摒弃滚道控制理论，建立考虑接触区润滑效应、离心力及陀螺力矩的拟动力学模型，揭示轴承关键设计参数对其特征参数的影响规律；3)考虑各种缺陷，建立多因素耦合的轴承5自由度动力学模型，发展高效算法，揭示高速惯性效应、陀螺力矩、润滑摩擦等对轴承动力学行为的影响规律；揭示不同服役条件下轴承动力学行为及其稳定性变化规律；4)系统研究不同类型缺陷对轴承动力学行为及其稳定性的影响规律，揭示缺陷影响轴承性能的内在机制。研究成果为提高轴承的动力学性能提供理论依据，为轴承缺陷的控制提出技术指标。

滚动轴承是机械系统的重要的支承部件，其动态性能直接影响机械装备的性能。滚动轴承的外部输入以及内部各种缺陷造成的内部激励，是影响轴承的动力学行为的两个主要因素。本项目研究了考虑缺陷的高速/高精密滚动轴承非线性动力学行为及其稳定性问题。.本项目的主要研究内容及重要研究结果包括：1)建立了考虑表面缺陷及表面粗糙度的润滑接触模型，发展了高效稳定的数值求解算法，研究了表面缺陷以及表面粗糙度对润滑油膜的影响规律，为建立完备的轴承动力学模型奠定了基础；2) 在摒弃滚道控制理论的基础上，引入了钢球姿态角控制方程，从而能够同时求解钢球在内、外滚道接触点处的旋滚比，建立了考虑接触区润滑效应、离心力及陀螺力矩的拟动力学模型。结果表明，高速下由于离心力的显著作用，球-内滚道接触角大于球-外滚道接触角，而球-内滚道接触载荷小于球-外滚道接触载荷。建立了滚道密合度的优化模型，揭示了轴承关键设计参数对其特征参数的影响规律；3)通过考虑各类缺陷，建立了多因素耦合的滚动轴承动力学模型，并发展了高效算法，揭示了高速惯性效应、陀螺力矩、润滑摩擦等对轴承动力学行为的影响规律；4)以轴承的速度-位移相图、轴心轨迹图以及速度和位移频谱图为表征手段，研究了滚道表面缺陷的数目、尺寸、位置、分布规律以及缺陷耦合油膜切向摩擦力、钢球离心力和偏心对轴承振动的影响,揭示了缺陷影响轴承性能的内在机制。结果表明，多个缺陷、缺陷位于内滚道、缺陷位于承载区、缺陷均匀分布、油膜摩擦力和偏心等都将引起轴承更大的振动，且在频谱图中存在特征频率，离心力对轴承振动影响较小。.项目通过研究含表面缺陷的高副润滑接触问题以及考虑各类缺陷的球轴承非线性动力学问题，揭示了各类缺陷及其耦合作用对高速/高精密球轴承动力学行为的影响规律，项目的研究结果为高速滚动轴承的分析和性能预测提供了理论基础，为高速/高精密球轴承的缺陷分析、控制和检测诊断提供理论依据和技术支撑。