一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法技术

本发明专利技术公开了一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法；首先，确定轴承几何尺寸、表面粗糙度、摩擦系数和材料参数；其次，结合CFD流固耦合仿真、ADAMS多体仿真以及轴承动力学和弹流润滑耦合算法，综合考虑非稳态工况、表面粗糙度和热效应的影响建立轴承多域仿真模型；然后，基于多域仿真模型和轴承试验台在相同的工况下分别采集轴承各部件温度、轴向载荷、径向载荷、振动加速度以及轴承内圈和保持架转速等仿真和试验数据；最后，通过调节多域仿真模型中润滑油流量使得轴承仿真与试验数据的最大均值差异满足一致性要求并获得轴承孪生仿真模型，基于孪生仿真模型提取轴承微尺度润滑状态。本发明专利技术能够实现变工况下轴承微尺度润滑状态的准确监测。尺度润滑状态的准确监测。尺度润滑状态的准确监测。

【技术实现步骤摘要】
一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法


[0001]本专利技术涉及轴承润滑状态检测领域，特别是涉及一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法。

技术介绍

[0002]轴承微观润滑状态监测对分析轴承动态性能至关重要，高速轴承的运动特性极易受到轴承润滑状态的影响。准确的轴承微观润滑状态需要综合考虑加减速等非稳态工况、表面粗糙度和热效应的影响建立轴承准确的孪生仿真模型，这就需要借助于CFD流固耦合仿真、ADAMS多体动力学仿真以及轴承动力学和弹流润滑耦合算法进行分析建模，因为相关研究涉及多学科仿真且存在较大难度，因此目前还未有针对相关问题全面的研究。
[0003]关于轴承动力学和弹流润滑耦合算法的研究，由于相关理论数值分析非常复杂，因此耦合算法的研究大多都是针对其中一种理论进行简化，本专利技术结合ADAMS多体动力学仿真和CFD流固耦合仿真可以有效降低轴承动力学数值求解的复杂程度，无需进行任何简化可以实现轴承动力学和弹流润滑理论的耦合分析。
[0004]由于轴承接触表面不完全光滑，存在一定的粗糙度，且对高速轴承而言大多数情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法，其特征在于，该方法包括：步骤S1、确定轴承各部件几何尺寸、表面粗糙度、摩擦系数和材料参数；步骤S2、基于步骤S1获得的参数，结合CFD流固耦合仿真、ADAMS多体动力学仿真以及轴承动力学和弹流润滑耦合算法，综合考虑加减速的非稳态工况、表面粗糙度和热效应的影响建立轴承多域仿真模型；步骤S3、基于步骤S2获得的轴承多域仿真模型和轴承试验台在相同的径向载荷、轴向载荷和轴承内圈转速工况下分别采集轴承内圈温度、外圈温度、滚动体温度、保持架温度、轴向载荷、径向载荷、振动加速度以及轴承内圈和保持架转速的仿真和试验数据；步骤S4、利用最大均值差异评估步骤S3中获得的仿真和试验数据，若不满足一致性要求则需要调节步骤S2中轴承多域仿真模型的润滑油流量，若满足一致性要求则基于孪生仿真模型提取轴承微尺度润滑状态。2.根据权利要求1所述的一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S101、确定轴承各部件几何尺寸，具体包括：分别确定轴承内圈和外圈的内径、外径和宽度；确定滚动体直径和长度；确定轴承保持架宽度、内径、外径和兜孔尺寸；根据获得的几何尺寸利用Solidwork软件建立轴承几何模型，并利用Hypermesh软件对轴承进行网格划分获得有限元模型；步骤S102、确定轴承各部件表面粗糙度：依次测量轴承内圈外表面、外圈内表面和滚动体表面等表面粗糙度，每个表面依次均匀选取N个点，每个点测量10次，取其平均值分别作为轴承内圈外表面粗糙度外圈内表面粗糙度和滚动体表面粗糙度步骤S103、确定轴承动静摩擦系数：分别测量不同内圈转速、轴向载荷、径向载荷和润滑条件下滚动体与内圈的动静摩擦系数μ
i
以及滚动体与外圈的动静摩擦系数μ
o
；步骤S104、确定轴承材料参数。3.根据权利要求2所述的一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法，其特征在于，所述步骤S104具体包括：步骤S1041、根据模态试验和模型修正技术确定轴承的弹性模量和泊松比；步骤S1042、根据步骤S101建立的轴承几何模型计算内圈、外圈、保持架和滚动体体积，并测量轴承各部件质量，利用下式计算得到轴承各部件密度：式中：n＝a,b,c,d分别代表轴承滚动体、内圈、外圈和保持架；m
n
为轴承不同部件的质量；V
n
为轴承不同部件的体积；ρ
n
为轴承不同部件的密度；步骤S1043、确定轴承滚动体和内圈比热分别为c
a
和c
b
，确定轴承滚动体和内圈热传导系数分别为k
a
和k
b
。4.根据权利要求2所述的一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S201、基于步骤S1获得的参数，结合轴承动力学和弹流润滑分析耦合算法，综合考
虑加减速等非稳态工况、表面粗糙度和热效应的影响建立轴承数值计算模型；其中，轴承动力学分析提供力学参数和运动学参数作为弹流润滑分析的输入，轴承弹流润滑分析将温度和润滑油膜分布反馈给轴承动力学分析；步骤S202、基于步骤S1获得的参数和步骤S201中瞬态能量方程计算得到的轴承生热量建立CFD流固耦合仿真模型：基于步骤S1获得的参数利用Fluent软件建立轴承流体域模型及划分网格，建立包含轴承内部流动空间的流体域模型，采用RNGk
‑
ε湍流模型描述油气两相在圆柱滚子轴承内部的流动；采用多重参考系法来描述轴承内部的流体运动，将瞬态流动转化为稳态进行近似求解；边界条件设置：将轴承内部设置为润滑油和空气两相流动，其中空气为主相，润滑油为次相；将轴承内圈壁面设置为旋转壁面边界，轴承外圈壁面设置为静止壁面边界，保持架壁面设置为旋转壁面边界，润滑油入口及出口分布在轴承两侧；同时结合步骤S201中瞬态能量方程计算得到的轴承生热量对轴承内外圈及滚动体壁面设置温度边界条件；步骤S203、基于步骤S1获得的参数建立ADAMS多体动力学仿真模型：将步骤S101获得的轴承有限元模型导入ADAMS多体动力学仿真软件中，将步骤S103获得的轴承动静摩擦系数、轴承各部件弹性模量和泊松比以及密度等参数输入ADAMS多体动力学仿真模型中；步骤S204、结合步骤S201建立的轴承数值计算模型、步骤S202建立的CFD流固耦合仿真模型和步骤S203建立的ADAMS多体动力学仿真模型进行联合仿真获得轴承接触微区温度、力学参数和运动参数。5.根据权利要求4所述的一种融合模型与数据的轴承微尺度润滑状态监测方法，其特征在于，所述步骤S201具体包括：S2011、轴承弹流润滑分析考虑时变效应、表面粗糙度和热效应的弹流润滑理论包括瞬态雷诺方程、考虑表面粗糙度的瞬态膜厚方程和瞬态能量方程三部分，具体计算公式如下：瞬态雷诺方程：式中：x
j
和y
j
为第j个滚动体的坐标值；j＝1,2,...,Z，其中，Z为滚动体个数；η为润滑油黏度；ρ为润滑油密度；p
j
为第j个滚动体处润滑油压力；h
j
为第j个滚动体处油膜厚度；为偏微分算子；t为时间；U为摩擦副接触点沿x轴方向的平均速度；V为摩擦副接触点沿y轴方向的平均速度；考虑表面粗糙度的瞬态膜厚方程：式中：h
j
(x
j
,y
j
,t)为第j个滚动体与时间t和位置(x
j
,y
j
)相关的油膜厚度；h0(t)为与时间t有关的轴承中心膜厚；E'
j
为第j个滚动体的等效弹性模量；和分别为第j个滚动体
沿x
j
和y
j
方向的表面粗糙度；为第j个滚动体的表面粗糙度；瞬态能量方程：式中：c
p
为润滑油的比热容；T
j
为第j个滚动体的温度；k为润滑油的热传导系数；u为流体在x轴方向的速度分量；v为流体在y轴方向的速度分量；其中，滚动体与轴承内圈的热传导方程如下：导方程如下：式中：U
a
和U
b
分别为滚动体和轴承内圈线速度；z
a
和z
b
分别为滚动体和轴承内圈沿z轴的坐标值；S2012、轴承动力学分析对轴承进行动力学分析需要建立滚动体动力学方程、保持架动力学方程和轴承套圈动力学方程三部分，具体计算公式如下：滚动体动力学方程：滚动体动力学方程：滚动体动力学方程：式中：NP为滚动体沿其轴线切片的数量；W为切片的宽度；A是常数；F
c
为滚动体所受离心力；和F
ij
分别为第j个滚动体承受内圈滚道和外圈滚道的拖动力；和为第j个滚动体受到保持架的法向作用力；和为第j个滚动体受到保持架的切向拖动力；和分别为第j个滚动体表面和端部的阻力；为第j个滚动体引导挡边对滚动体端面的拖动力；为第j个滚动体挡边对滚动...

【专利技术属性】
技术研发人员：马磊明，姜斌，肖玲斐，郭勤涛，于乾坤，陆宁云，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：