一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法技术

本发明专利技术提供一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法，包括：结合轴承

【技术实现步骤摘要】
一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法


[0001]本公开涉及机械动力学
，尤其涉及一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法。

技术介绍

[0002]滚动轴承广泛应用于航空发动机、燃气轮机、火箭发动机等各种旋转机械中，弹性支承用于配合滚动轴承共同支撑转子系统工作，并调节转子系统临界转速区域，弹性支承的阻尼和变形可吸收一部分转子的振动，进而减小轴承内部各元件受到的冲击作用，大量设计及试验过程均发现，转子和弹支设计参数会影响滚动轴承工作性能，不合理的弹支和转子系统设计会增加轴承故障率。
[0003]为了改善滚动轴承与转子、弹支协同工作性能，提高滚动轴承工作可靠性，需要在滚动轴承设计分析时考虑弹支和转子的影响，研究在轴承动态性能分析时引入弹支和转子的力学作用因素的理论方法。目前，基于现有技术建立的轴承
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转子
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弹支模型分为两类：一类均对系统轴承或转子模型进行了简化，该类模型无法真实反映轴承内部打滑效应、保持架运动与转子变形、运动惯性的耦合规律。另一类模型初步建立了轴承完全动力学与转子、轴承座耦合分析的模型与算法，但目前该算法为了计算稳定，一方面需要对支承引入人为增加的阻尼，计算结果存在不确定性，另一方面，该模型对于处理弹支、转子刚度与轴承刚度差距较大的模型具有困难，因为此时该类模型具有多刚体运动与大变形运动耦合特点，普通建模和求解算法用于该类模型容易失效，该类模型数值求解稳定性有待进一步完善。
[0004]因此，要想准确、全面地分析弹支和转子对滚动轴承工作性能的影响，必须针对滚动轴承特点和轴承
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转子
‑
弹支耦合工作方式，在考虑轴承元件、润滑油、转子振动、弹支变形相互影响的基础上，建立可考虑转子和弹支影响的滚动轴承动态性能建模、分析与求解算法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本公开实施例提供一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法，该方法是一种可全面考虑滚动轴承滚动体和保持架空间三维运动、润滑油效应与转子振动、弹支变形耦合影响的动态性能建模及求解方法，奠定滚动轴承与弹支、转子联合仿真与匹配设计的理论基础。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法，包括以下步骤：
[0008]S1、结合轴承、转子和弹支的力平衡关系，建立轴承
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弹支
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转子系统力平衡方程，求解该方程得到滚动体与套圈作用力；
[0009]S2、根据轴承供油条件，计算油气混合物比例与滚动体受到的润滑油阻力，以及轴承内部摩擦副油膜厚度，根据S1中得到的滚动体与套圈作用力，计算滚动体、保持架与润滑油作用力，再通过滚动体、保持架与润滑油作用力计算得到滚动体、保持架作用力矩；
[0010]S3、建立滚动体与保持架运动微分方程，将滚动体、保持架、润滑油作用力与滚动体、保持架作用力矩代入该运动微分方程中，求解滚动体与保持架运动微分方程获取滚动体、保持架下一时刻的运动状态；
[0011]S4、以S3中得到的滚动体、保持架的运动状态为初始值，建立支承子结构的运动微分方程，采用刚性微分方程的隐式积分方法，求解校正后的滚动体和保持架运动状态，计算该时刻下轴承动态性能参数，以及支承结构对转子的约束反力；
[0012]S5、建立转子运动微分方程，将支承子结构对转子的作用力与作用力矩代入转子运动微分方程中，采用结构动力学的显式积分方法，求解转子运动微分方程，获取转子下一时刻的转子位移和速度响应；
[0013]S6、将轴承所在转子节点的位移代入轴承力学模型，重复步骤S2
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S5，直到时间达到预设时刻，即可得到所预设积分时间段内轴承
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转子系统的各元件作用力与时域位移、速度、加速度响应，完成轴承性能分析。
[0014]进一步地，所述S1包括：
[0015]S101，当计算时刻i＝0时，根据套圈控制理论计算轴承滚动体与保持架初始时刻速度，当计算时刻i>0时，根据步骤S4得到的滚动体公转速度，计算轴承滚动体离心力和摩擦力，根据轴承套圈、滚动体、弹支、转子系统内各元件相互作用关系建立了轴承
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弹支
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转子系统力平衡方程，具体为式1：
[0016][0017]S102，通过支点与外载荷的力平衡关系，计算转子载荷分配到第j个轴承上的瞬时径向载荷FBj(1≤j≤n)，求解方法如式2：
[0018][0019]计算得到每个轴承上的瞬时载荷FBj后，结合轴承拟静力模型，计算第j个轴承该时刻下的轴承位移弹支位移和转子位移
[0020]S103，设第i个时刻下系统位移建立函数式3：
[0021][0022]设该函数第i个时刻下的第k次迭代变量为给轴承位移向量转子位移向量
弹支位移向量分别赋一个微小增量再代入该函数式中，分别得到对应的函数值、对应的函数值、将组集成矩阵Θ，设中间变量X
m
＝[x1,x2,
…
,x
n
]T
，以得到第j个轴承该时刻下的轴承位移弹支位移和转子位移作为初始迭代值，基于迭代公式计算X
m
，具体计算过程如式4：
[0023][0024]根据得到的X
m
，进一步计算
[0025][0026]设置系统收敛可接受的误差上限为E
set
，当满足且时，由式5，所得到的便为第i个时刻轴承位移弹支位移和转子位移
[0027]进一步地，所述S2包括：
[0028]S201，根据得到的结合摩擦学理论，计算滚动体与套圈接触区油膜厚度以及摩擦力保持架与滚动体作用力向量保持架与引导套圈相互作用力向量
[0029]S202，根据第i个时刻下轴承元件位移向量根据得到的以及保持架、套圈、滚动体的相对位置关系，计算轴承滚动体受到的作用力矩，计算过程为式6：
[0030][0031]再计算轴承保持架受到的作用力矩如式7：
[0032][0033]进一步地，所述S3包括：
[0034]根据第i个时刻滚动体和保持架运动速度、供油条件，计算滚动体、保持架受到的润滑油作用力向量建立轴承滚动体与保持架运动微分方程，如
[0035]式8：
[0036][0037]采用数值积分方法求解式(8)，可得第i+1时刻下滚动体和保持架位移、速度和加速度。
[0038]进一步地，所述S4具体包括：
[0039]将转子、支承子结构1和支承子结构2对应的运动分别用广义坐标qr、q1和q2表示，设C
I
和C
II
表示约束环节对应关系式，将支承子结构与转子系统柔性结构体之间的约束方程写为式9：
[0040][0041]基于该约束方程，引入拉格朗日乘子λ和约束关系，建立轴承
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弹支<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、结合轴承、转子和弹支的力平衡关系，建立轴承
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弹支
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转子系统力平衡方程，求解该方程得到滚动体与套圈作用力；S2、根据轴承供油条件，计算油气混合物比例与滚动体受到的润滑油阻力，以及轴承内部摩擦副油膜厚度，根据S1中得到的滚动体与套圈作用力，计算滚动体、保持架与润滑油作用力，再通过滚动体、保持架与润滑油作用力计算得到滚动体、保持架作用力矩；S3、建立滚动体与保持架运动微分方程，将滚动体、保持架、润滑油作用力与滚动体、保持架作用力矩代入该运动微分方程中，求解滚动体与保持架运动微分方程获取滚动体、保持架下一时刻的运动状态；S4、以S3中得到的滚动体、保持架的运动状态为初始值，建立支承子结构的运动微分方程，采用刚性微分方程的隐式积分方法，求解校正后的滚动体和保持架运动状态，计算该时刻下轴承动态性能参数，以及支承结构对转子的约束反力；S5、建立转子运动微分方程，将支承子结构对转子的作用力与作用力矩代入转子运动微分方程中，采用结构动力学的显式积分方法，求解转子运动微分方程，获取转子下一时刻的转子位移和速度响应；S6、将轴承所在转子节点的位移代入轴承力学模型，重复步骤S2
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S5，直到时间达到预设时刻，即可得到所预设积分时间段内轴承
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转子系统的各元件作用力与时域位移、速度、加速度响应，完成轴承性能分析。2.根据权利要求1所述的考虑转子和弹支影响的轴承动态性能分析方法，其特征在于：所述S1包括：S101，当计算时刻i＝0时，根据套圈控制理论计算轴承滚动体与保持架初始时刻速度，当计算时刻i&gt;0时，根据步骤S4得到的滚动体公转速度，计算轴承滚动体离心力和摩擦力，根据轴承套圈、滚动体、弹支、转子系统内各元件相互作用关系建立了轴承
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弹支
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转子系统力平衡方程，具体为式1：S102，通过支点与外载荷的力平衡关系，计算转子载荷分配到第j个轴承上的瞬时径向载荷FBj(1≤j≤n)，求解方法如式2：计算得到每个轴承上的瞬时载荷FBj后，结合轴承拟静力模型，计算第j个轴承该时刻下的轴承位移弹支位移和转子位移
S103，设第i个时刻下系统位移建立函数式3设该函数第i个时刻下的第k次迭代变量为给轴承位移向量转子位移向量弹支位移向量分别赋一个微小增量再代入该函数式中，分别得到对应的函数值对应的函数值将组集成矩阵Θ，设中间变量X
m
＝[x1,x2,
…
,x
n
]<...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐瑞，余丹，高利霞，赵强，晏军，高平，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：