圆柱滚子轴承动力学仿真及半物理试验研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：圆柱滚子轴承动力学仿真及半物理试验研究作者：张文虎学科专业：机械设计及理论指导教师：邓四二2017年05月Title:Studyonthedynamicssimulationandsemi-physicalexperimentofcylindricalrollerbearingByZhangWenhuUndertheSupervisionofProfessorDengSi-erADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechni

2、calUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechanicaldesignandtheoryXi’anP.R.ChinaMay2017摘要本文在国家“十二五”科技攻关项目的资助下，以高速圆柱滚子轴承为研究对象，计入润滑剂特性、滚子修形母线加工误差以及轴承润滑状态等因素，利用摩擦、润滑和接触理论，对高速圆柱滚子轴承的滚子、套圈、保持架以及润滑剂之间的相互作用力进行分析，建立了更加趋于轴承实际运行状态的高速圆柱滚子轴

3、承动力学仿真模型，并对其快速求解算法进行了研究。在进行高速圆柱滚子轴承动力学仿真分析的基础上，以航空发动机主轴轴承保持架动态性能试验机为依托，构建了高速圆柱滚子轴承的半物理试验系统，进而对圆柱滚子轴承的半物理试验技术进行了初步探索。本文主要的研究工作和结论如下：(1)计入润滑剂特性、滚子母线修形凸度偏移量以及轴承润滑状态等因素对高速圆柱滚子轴承动态性能的影响，建立了高速圆柱滚子轴承非线性动力学微分方程组，给出了高速圆柱滚子轴承的动力学仿真模型。为了提高高速圆柱滚子轴承动力学仿真模型中非线性动力学微分方程组的求解

4、速度，结合希尔伯特-修斯-泰勒(Hilber-Hughes-Taylor，HHT)变步长积分算法和对称多处理(SymmetricMulti-Processing，SMP)并行计算的优势，给出了基于HHT变步长积分算法的快速求解算法。(2)进行高速圆柱滚子轴承的动力学仿真分析，研究了润滑油特性与高速圆柱滚子轴承保持架运行稳定性的关系，给出了保持架运行稳定性的评定准则以及四种航空润滑油的推荐使用工况；从理论上对带有滚子母线修形凸度偏移量的高速圆柱滚子轴承的滚子动态特性进行研究，分析了滚子修形类型、滚子母线修形凸度偏

5、移量、轴承工况参数对滚子倾斜角和歪斜角的影响，评价了四种带凸度偏移的修形滚子的抗载荷能力和抗速度能力；从理论上对启动和停止阶段高速圆柱滚子轴承的动态特性与保持架的应力和安全系数进行了分析，研究了轴承工况参数、保持架兜孔周向间隙、保持架材料以及轴承径向游隙对保持架应力和安全系数的影响规律。高速圆柱滚子轴承动力学仿真分析的研究结果对高速圆柱滚子轴承动力学仿真模型进行进一步的完善与修正。(3)在高速圆柱滚子轴承动力学仿真分析的基础上，构建了高速圆柱滚子轴承数字仿真系统，并在MATLAB/Simulink中搭建了基于x

6、PCTarget的双机数据采集系统，通过ADAMS/Controls与MATLAB的接口在Simulink中实现了圆柱滚子轴承数字仿真系统与半物理试验机的双向信息通讯，进而进行了高速圆柱滚子轴承半物理试验研究。通过对保持架质心轨迹和打滑率的仿真计算结果和试验结果的对比分析，验证了本文所提出的高速圆柱滚子轴承半物理试验技术路线的可行性。本文对于高速圆柱滚子轴承动力学仿真及半物理试验的研究，在理论上为不同类型航空润滑油的选择、滚子的设计和加工误差控制以及保持架的结构设计提供了理论依据，修正并完善了高速圆柱滚子轴承的

7、动力学仿真模型，同时为滚动轴承动力学仿真提I供一种高效的数值求解算法。在应用上，本文有关圆柱滚子轴承半物理试验的研究为滚动轴承的试验提供了一条新的技术路线，有助于滚动轴承的全物理试验向半物理试验转变。关键词：高速圆柱滚子轴承，动力学仿真，并行计算，试验技术，半物理试验本研究得到国家“十二五”科技攻关项目(编号：JPPT-ZCGX1-1)以及国家自然科学基金(编号：U1404514)的资助。IIAbstractUnderthesupportofthenationaltwelfthfive-yearkeyproje

8、ctsofChina,inthispaper,consideringthelubricantproperties,roller’sconvexityexcursionandbearinglubricantstate,theinteractionforcesamongtheroller,cage,ringandlubricantwerefirstlyanalyzedbasedonthet