一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法技术

本发明专利技术提供了一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法，属于角接触轴承疲劳剥落故障机理分析领域，该方法包括对轴承内圈与滚子间进行准动态分析，输出滚子与内圈间接触参数；根据滚子与内圈间接触参数，构建轴承滚道表面疲劳剥落有限元分析模型；利用轴承滚道表面疲劳剥落有限元分析模型预制裂纹；根据预制裂纹，对角接触轴承内圈滚道表面疲劳剥落进行分析。本发明专利技术解决了现有技术中未考虑温度、润滑的影响，以及模拟滚子与滚道接触之间润滑油引起的耗费大量机时的问题。润滑油引起的耗费大量机时的问题。润滑油引起的耗费大量机时的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法


[0001]本专利技术属于角接触轴承疲劳剥落故障机理分析领域，尤其涉及一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法。

技术介绍

[0002]疲劳剥落是航空发动机轴承最主要的失效模式之一，一般包含轴承滚道表面疲劳裂纹的萌生与扩展两个阶段，其中疲劳裂纹的扩展是导致轴承表面发生疲劳剥落的直接原因。早期发生的轴承表面疲劳剥落故障可以通过数据驱动的方法识别，进而发出疲劳剥落故障的起始预警，但对于正在执行航空任务的航空发动机而言，即使收到故障预警也不能即使停飞排查故障，这无疑会增加航空发动机轴承服役期间失效的风险。因此，明确航空发动机轴承疲劳剥落演化机理并建立有效的轴承寿命预测模型，对开展轴承的疲劳剥落演化加速试验、制定、和规划飞机的飞行任务剖面具有十分重要的工程意义。
[0003]目前针对疲劳剥落失效的研究，在一定程度上获得了一些有关疲劳剥落失效机理的重要结论，但仍未准确描绘轴承疲劳剥落的演化过程，而且在仿真中很难保持高效计算的同时涵盖温度、润滑等影响疲劳剥落的重要因素。考虑到温度、润滑等对轴承疲劳剥落机理分析的重要性，亟需在仿真模型中考虑温度、润滑的影响，并解决好模拟滚子与滚道接触之间润滑油引起的耗费大量机时的问题，提高仿真高效性并有效预测寿命。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法，解决了现有技术中未考虑温度、润滑的影响，以及模拟滚子与滚道接触之间润滑油引起的耗费大量机时的问题。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本方案提供一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法，包括以下步骤：
[0007]S1、建立轴承的准动态分析模型，输出滚子与内圈间赫兹接触椭圆长短半轴、应力分布以及滚子公转速度；
[0008]S2、将滚子与内圈间赫兹接触椭圆长短半轴、应力分布以及滚子公转速度作为输入，通过有限元分析软件ABAQUS构建轴承滚道表面移动应力的有限元仿真模型；
[0009]S3、利用有限元分析模型，结合扩展有限元方法，在轴承内圈滚道上预制疲劳剥落的初始裂纹，并进行仿真分析，得到所预制初始裂纹前端的应力强度因子；
[0010]S4、基于得到的所预制初始裂纹前端的应力强度因子，对该裂纹在轴承滚道次表面扩展情况进行分析，完成对轴承内圈滚道表面疲劳剥落故障演化过程的模拟。
[0011]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过进行轴承内圈与滚子间的准动态分析，然后建立轴承有限元分析模型，进行扩展有限元仿真。通过现有的裂纹扩展有限元模型在轴承滚道表面预设轴承裂纹，开展轴承滚道表面疲劳剥落裂纹仿真分析。基于预制裂纹，利用有限
元模型输出裂纹前端应力强度因子，计算综合应力强度因子，进而计算裂纹扩展速度与方向。令裂纹前端沿裂纹扩展方向扩展一定长度，后更新所预制的初始裂纹，继续迭代计算直至裂纹从新回到滚道表面为止，最后综合裂纹扩展过程，将滚道表面裂纹扩展过程简化后，再各个裂纹扩展阶段裂纹扩展的总时间，输出总时间，即为轴承内圈疲劳剥落故障的演化寿命，根据裂纹扩展长度、覆盖范围，亦可得到发生一次剥落的区域大小。本专利技术解决了现有技术中未考虑温度、润滑的影响，以及模拟滚子与滚道接触之间润滑油引起的耗费大量机时的问题。
[0012]进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
[0013]S101、初始化参数；
[0014]S102、获取轴承内外圈相对位移与转角，并构建轴承变形协调方程组：
[0015]滚子与内、外滚道的接触变形量δ
ij
、δ
ej
：
[0016][0017]承载前后内、外圈沟道曲率中心在径向和轴向的距离A
rj
、A
aj
：
[0018][0019]其中，δ
ij
、δ
ej
分别表示滚子与内、外沟道接触变形量，f
i
、f
e
分别表示内、外沟道曲率半径系数，α
ij
、α
ej
分别表示滚子与内、外沟道接触角，α0表示轴承受载前初始接触角，D
b
分别表示滚子直径，R
i
表示滚子中心至固定坐标原点的位置，A
rj
、A
aj
分别表示承载前后内、外圈沟道曲中心在径向和轴向的距离，X
rj
、X
aj
分别表示承载前后滚子中心与外沟道曲率中心唉径向和轴向的距离，δ
a
表示轴向预负作用下的预位移，h
cij
、h
cej
分别表示滚子与内、外沟道中心油膜厚度；
[0020]S103、判断轴承变形协调方程组是否平衡，若是，则进入步骤S104，否则，更新滚子位置参数，并返回步骤S102；
[0021]S104、根据轴承滚子与内圈在转动方向上的润滑油卷吸速度、轴承滚子以及内圈在转动方向上的等效曲率半径，计算得到最小轴承油膜厚度；
[0022]S105、考虑温度影响因素，对最小轴承油膜厚度进行修正；
[0023]S106、基于修正结果，利用当前轴承内外圈相对位移与转角更新Kriging代理模型，得到考虑温度与润滑的轴承准动态分析模型，并输出滚子与内圈间赫兹接触椭圆长短半轴、应力分布以及滚子公转速度。
[0024]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术通过计算油膜厚度，修正轴承准动态模型计算结果，在模型计算收敛后可得到最终油膜厚度以及接触应力等参数。同时，采用Kriging代理模型可提高求解效率减少收敛时间。
[0025]再进一步地，所述对最小油膜厚度进行修正的表达式如下：
[0026]h＝C
p
h
min
[0027]h
min
＝3.63U
0.68
G
0.49
W
‑
0.073
(1
‑
e
‑
0.68k
)
[0028][0029]其中，h表示修正后的轴承油膜厚度，C
p
表示修改系数，h
min
表示最小轴承油膜厚度，U、G和W分别表示滚子与套圈滚道直接接触区域的速度参数、材料参数和载荷参数，k表示接触区域的椭圆度，e表示自然对数，α表示黏压系数，η表示润滑油动力粘度，U
ypj
表示轴承滚子与套圈在转动方向上的润滑卷吸速度，R
ypj
表示轴承滚子与套圈在转动方向上等效曲率半径，Q
pj
表示滚子与内圈的接触力，E
′
表示综合弹性模量。
[0030]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术通过修正油膜厚度可以把温度与润滑的影响考虑进轴承准动态模型，使得轴承准动态分析结果更加准确。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立轴承的准动态分析模型，输出滚子与内圈间赫兹接触椭圆长短半轴、应力分布以及滚子公转速度；S2、将滚子与内圈间赫兹接触椭圆长短半轴、应力分布以及滚子公转速度作为输入，通过有限元分析软件ABAQUS构建轴承滚道表面移动应力的有限元仿真模型；S3、利用有限元分析模型，结合扩展有限元方法，在轴承内圈滚道上预制疲劳剥落的初始裂纹，并进行仿真分析，得到所预制初始裂纹前端的应力强度因子；S4、基于得到的所预制初始裂纹前端的应力强度因子，对该裂纹在轴承滚道次表面扩展情况进行分析，完成对轴承内圈滚道表面疲劳剥落故障演化过程的模拟。2.根据权利要求1所述的角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：S101、初始化参数；S102、获取轴承内外圈相对位移与转角，并构建轴承变形协调方程组：滚子与内、外滚道的接触变形量δ
ij
、δ
ej
：承载前后内、外圈沟道曲率中心在径向和轴向的距离A
rj
、A
aj
：其中，δ
ij
、δ
ej
分别表示滚子与内、外沟道接触变形量，f
i
、f
e
分别表示内、外沟道曲率半径系数，α
ij
、α
ej
分别表示滚子与内、外沟道接触角，α0表示轴承受载前初始接触角，D
b
分别表示滚子直径，R
i
表示滚子中心至固定坐标原点的位置，A
rj
、A
aj
分别表示承载前后内、外圈沟道曲中心在径向和轴向的距离，X
rj
、X
aj
分别表示承载前后滚子中心与外沟道曲率中心唉径向和轴向的距离，δ
a
表示轴向预负作用下的预位移，h
cij
、h
cej
分别表示滚子与内、外沟道中心油膜厚度；S103、判断轴承变形协调方程组是否平衡，若是，则进入步骤S104，否则，更新滚子位置参数，并返回步骤S102；S104、根据轴承滚子与内圈在转动方向上的润滑油卷吸速度、轴承滚子以及内圈在转动方向上的等效曲率半径，计算得到最小轴承油膜厚度；S105、考虑温度影响因素，对最小轴承油膜厚度进行修正；S106、基于修正结果，利用当前轴承内外圈相对位移与转角更新Kriging代理模型，得到考虑温度与润滑的轴承准动态分析模型，并输出滚子与内圈间赫兹接触椭圆长短半轴、应力分布以及滚子公转速度。3.根据权利要求2所述的角接触轴承疲劳剥落故障演化分析及寿命预测方法，其特征在于，所述对最小油膜厚度进行修正的表达式如下：h＝C
p
h
min
h
min
＝3.63U
0.68
G
0.49
W
‑
0.073
(1
‑
e
‑
0.68k
)
其中，h表示修正后的轴承油膜厚度，C
p
表示修改系数，h
min
表示最小轴承油膜厚度，U、G和W分别表示滚子与套圈滚道直接接触区域的速度参数、材料参数和载荷参数，k表示接触区域的椭圆度，e表示自然对数，α...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄洪钟，邓智铭，杨泽生，黄土地，李彦锋，曾颖，柏松，李懿凡，徐紫薇，黄梓幸，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：