一种角接触球轴承优化设计方法技术

本发明专利技术涉及机械工程技术领域，公开了一种角接触球轴承优化设计方法，根据转子系统外载荷与轴承安装结构空间，计算双半内圈角接触球轴承的载荷，设计双半内圈角接触球轴承结构参数；分析转子工作状态下角接触球轴承实际承受的载荷，计算滚动体与套圈三点接触、爬坡、接触应力情况，通过调整确定满足轴承稳态性能要求的轴承结构参数；再通过开展轴承动态性能分析，根据轴承膜厚比与运动稳定性，优化保持架参数或轴承粗糙度，使轴承稳态与瞬态性能满足设计要求。本发明专利技术综合考虑轴承与转子载荷传递关系，并在充分考虑轴承动态性能如接触疲劳、打滑、三点接触、保持架运动稳定性的变化规律的基础上，有针对性地优化双半内圈角接触球轴承的结构参数。承的结构参数。承的结构参数。

【技术实现步骤摘要】
一种角接触球轴承优化设计方法


[0001]本专利技术涉及机械工程
，公开了一种角接触球轴承优化设计方法。

技术介绍

[0002]双半内圈角接触球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，其作用是支撑转子系统稳定旋转工作，大量设计及试验过程均发现，不合理的双半内圈角接触球轴承设计会增加轴承故障率，严重威胁转子系统的运行安全性。
[0003]为了提高双半内圈角接触球轴承与转子系统联合运行的寿命，有必要建立考虑因素全面的球轴承优化设计方法，规避各种可能的故障风险，比如三点接触引发的异常磨损、爬坡引发的滚动体损伤、接触应力过大引发的材料加速疲劳失效、保持架运动失稳引发的保持架异常磨损甚至断裂等，提升轴承
‑
转子系统工作可靠性。各学者针对相关问题进行了研究，根据文献调研结果可知，前人对于双半内圈角接触球轴承的设计方面发表论文和专利均很少，更多是针对通用的角接触球轴承进行优化设计，目前缺乏针对双半内圈角接触球轴承的系统性的结构优化设计方法，更多的是采用继承式、半试凑、半筛选的方式来设计该类轴承，未从转子系统层面和轴承使用的源头来设计轴承，设计考虑因素不全面，缺乏科学合理的优化设计流程，设计效率低，设计工作出现反复的概率较高，对于高速工作的双半内圈角接触球轴承而言，若设计考虑不周，则其使用存在一定安全隐患。
[0004]为了让设计的双半内圈角接触球轴承的工作性能可与其支撑的转子系统很好匹配，需要建立基于转子系统且综合考虑轴承接触状态和动态性能状态的双半内圈角接触球轴承优化设计方法，建立相应的科学合理的双半内圈角接触球轴承分析与优化设计方法与流程，降低轴承使用故障率，提升轴承使用寿命，为转子系统的稳定工作保驾护航。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种角接触球轴承优化设计方法，可在滚动轴承设计与分析时，综合考虑轴承与转子载荷传递关系，并在充分考虑轴承动态性能如接触疲劳、打滑、保持架运动稳定性的变化规律的基础上，有针对性地优化双半内圈角接触球轴承的结构参数，帮助改善双半内圈角接触球轴承设计效率与质量，提升双半内圈角接触球轴承的工作寿命。
[0006]为了实现上述技术效果，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种角接触球轴承优化设计方法，包括如下步骤：
[0008]S1、根据转子系统外载荷与轴承安装结构空间，计算分配到双半内圈角接触球轴承的载荷，设计双半内圈角接触球轴承结构参数；
[0009]S2、建立轴承
‑
转子
‑
轴承座系统力平衡方程，根据系统力平衡方程计算转子变形条件下传递到轴承的载荷；
[0010]S3、根据转子变形条件下传递到轴承的载荷计算轴承接触应力、三点接触情况和爬坡情况，确定稳态性能是否满足要求；如不满足，调整双半内圈角接触球轴承结构参数，
使稳态性能满足要求；
[0011]S4、计算轴承瞬态性能，确定瞬态性能是否满足要求；如不满足，根据运动稳定性与轴承膜厚比，调整轴承粗糙度或保持架参数，直至瞬态性能完全满足设计要求。
[0012]进一步地，步骤S1中双半内圈角接触球轴承结构参数包括轴承外径D、轴承内径d和轴承宽度B，以及轴承材料。
[0013]进一步地，步骤S1中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个轴承上的径向载荷F
rj
和轴向载荷F
aj
，其中1≤j≤n，n为转子上的轴承数量。
[0014]进一步地，步骤S1中根据待设计双半内圈角接触球轴承的工况要求，确定其受到的最大轴向力最小轴向力和最大径向力最小径向力以及轴承套圈最大工作旋转速度ω
max
和最小旋转速度ω
min
，初步设计双半内圈角接触球轴承结构参数，包括滚动体直径、数量、以及轴承的垫片角、沟曲率系数、保持架的内外径、兜孔直径。
[0015]进一步地，步骤S2中根据变分原理，建立转子有限元模型和轴承座有限元模型，计算转子刚度矩阵K
r
，轴承座刚度矩阵K
sq
；同时以轴承滚动体和轴承座组成的系统为单元，建立轴承
‑
转子
‑
轴承座系统力平衡方程，计算转子变形条件下转子载荷传递到双半内圈角接触球轴承的大小，得到轴承受到的来自转子的各个方向作用力，建立的方程组：F
h
为转子受到的外载荷向量，F
B
为轴承对转子的作用力，G
h
为转子受到的重力向量，基于全局收敛的非线性方程数值解法求解方程组，得到转子位移、轴承位移和轴承座位移，将得到的结果代入支承系统拟静力学模型F
quasi
，即可得到双半内圈角接触球轴承受到的载荷F
B
。
[0016]进一步地，步骤S3中对轴承进行稳态性能评估方法步骤如下：
[0017]计算双半内圈角接触球轴承的滚动体与套圈的接触载荷，和每个滚动体与套圈的接触角；根据赫兹接触理论，计算滚动体与套圈的接触应力，结合每个滚动体与套圈的接触角，计算得到滚动体与套圈的接触痕迹；根据计算结果分析轴承未出现三点接触、爬坡或接触应力超出极限的情况，则进入步骤S4，否则调整双半内圈角接触球轴承结构参数后，重新进进入步骤S2和S3；
[0018]进一步地，步骤S3中三点接触的判断方法为：对于第j个滚动体而言，若满足以下条件，则发生三点接触：
[0019][0020]式中，OO
r2nonF
为轴承中心到非主承力半圈沟曲率中心的向量，OO
bj
为轴承中心到第j个滚动体中心的向量，O
r2nonF
O
bj
为非主承力半圈沟曲率中心到第j个滚动体中心的向量，O
r2nonF
O
bj
(m)代表该向量的第m个分量；
[0021]滚动体不发生爬坡的判断方法为：根据拟静力学分析结果，计算每个轴承滚动体接触角，找出接触角最大的滚动体，设其接触角为α
maxj
，结合赫兹接触理论，计算该滚动体的接触椭圆长轴，并分别计算出接触椭圆所占据的最小接触角度和最大接触角度
同时计算挡肩角具体为：
[0022][0023]同时根据轴承滚道几何尺寸计算内圈挡肩角具体为：
[0024][0025]轴承滚动体不发生爬坡的条件为：
[0026]式中，R
x
为接触椭圆短轴方向的滚动体与套圈主曲率和的倒数，R
y
为接触椭圆长轴方向的滚动体与套圈主曲率和的倒数；ρ
sum
为滚动体和套圈在接触椭圆长轴方向、短轴方向的曲率总和。
[0027]进一步地，步骤S3中滚动体既不发生三点接触，也不发生爬坡条件下，计算得到的初始接触角范围上限和下限与垫片角下限和上限计算四种初始接触角和垫片角组合条件下，即初始接触角和垫片角的组合分别为的条件下，该双半内圈角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种角接触球轴承优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、根据转子系统外载荷与轴承安装结构空间，计算分配到双半内圈角接触球轴承的载荷，设计双半内圈角接触球轴承结构参数；S2、建立轴承
‑
转子
‑
轴承座系统力平衡方程，根据系统力平衡方程计算转子变形条件下传递到轴承的载荷；S3、根据转子变形条件下传递到轴承的载荷计算轴承接触应力、三点接触情况和爬坡情况，确定稳态性能是否满足要求；如不满足，调整双半内圈角接触球轴承结构参数，使稳态性能满足要求；S4、计算轴承瞬态性能，确定瞬态性能是否满足要求；如不满足，根据运动稳定性与轴承膜厚比，调整轴承粗糙度或保持架参数，直至瞬态性能完全满足设计要求。2.根据权利要求1所述的角接触球轴承优化设计方法，其特征在于，步骤S1中双半内圈角接触球轴承结构参数包括轴承外径D、轴承内径d和轴承宽度B，以及轴承材料。3.根据权利要求1所述的角接触球轴承优化设计方法，其特征在于，步骤S1中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个轴承上的径向载荷F
rj
和轴向载荷F
aj
，其中1≤j≤n，n为转子上的轴承数量。4.根据权利要求3所述的角接触球轴承优化设计方法，其特征在于，步骤S1中根据待设计双半内圈角接触球轴承的工况要求，确定其受到的最大轴向力最小轴向力和最大径向力最小径向力以及轴承套圈最大工作旋转速度ω
max
和最小旋转速度ω
min
，初步设计双半内圈角接触球轴承结构参数，包括滚动体直径、数量、以及轴承的垫片角、沟曲率系数、保持架的内外径、兜孔直径。5.根据权利要求1所述的角接触球轴承优化设计方法，其特征在于，步骤S2中根据变分原理，建立转子有限元模型和轴承座有限元模型，计算转子刚度矩阵K
r
，轴承座刚度矩阵K
sq
；同时以轴承滚动体和轴承座组成的系统为单元，建立轴承
‑
转子
‑
轴承座系统力平衡方程，计算转子变形条件下转子载荷传递到双半内圈角接触球轴承的大小，得到轴承受到的来自转子的各个方向作用力，建立的方程组：F
h
为转子受到的外载荷向量，F
B
为轴承对转子的作用力，G
h
为转子受到的重力向量，基于全局收敛的非线性方程数值解法求解方程组，得到转子位移、轴承位移和轴承座位移，将得到的结果代入支承系统拟静力学模型F
quasi
，即可得到双半内圈角接触球轴承受到的载荷F
B
。6.根据权利要求1所述的角接触球轴承优化设计方法，其特征在于，步骤S3中对轴承进行稳态性能评估方法步骤如下：计算双半内圈角接触球轴承的滚动体与套圈的接触载荷，和每个滚动体与套圈的接触角；根据赫兹接触理论，计算滚动体与套圈的接触应力，结合每个滚动体与套圈的接触角，计算得到滚动体与套圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐瑞，高利霞，余丹，晏军，赵强，李贵林，
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：