考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法及系统，该方法基于轴承组件的基本参数，获取轴承内圈沟道中心O

【技术实现步骤摘要】
考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法及系统


[0001]本专利技术属于轴承系统
，涉及一种考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法及系统。

技术介绍

[0002]作为旋转系统中承受载荷的关键部件，滚动轴承具有启动力矩小、消振降噪、易于更换等优点，广泛应用在汽车、航空航天等领域。现代航空发动机广泛采用双转子结构，其内、外转子之间通常采用滚动轴承作为中介轴承，用于支撑内、外转子的高速转动。滚动轴承将内、外转子联结，使内、外转子的动力学行为通过滚动轴承发生耦合，产生复杂的振动行为。
[0003]滚动轴承在旋转机构中既有支撑载荷的作用，又具有运动连接的作用，其刚度变化对于旋转系统的工作性能有着重要影响。轴承支撑刚度是指轴承在载荷作用下抵抗变形的能力，刚度特性是影响发动机转子支承系统动力学特性以及耦合振动特性的主要因素。在高速和重载条件下，中介轴承的支撑刚度随着承受的载荷和转速呈非线性变化，导致整个旋转系统的刚度和性能受到影响。因此，开展中介轴承关于支撑刚度计算方法的研究，对分析旋转系统的动力学特性及降低振动具有重要的意义。
[0004]由于轴承拟静力学模型涉及的方程是高度的非线性方程，求解的未知量数目较多，求解时经常遇到不收敛、求解速度慢等情况。因此相关学者提出了经验公式，用于计算轴承的刚度值。但经验公式只能对刚度的大小进行粗略估计，计算结果在理论和实际上存在偏差。此外，传统的滚动轴承刚度计算方法只能在静态条件下估计不同方向上的平移刚度，但在实际情况中，轴承动态运行条件下产生的弯曲变形和各个方向上的耦合变形也会直接影响轴承的性能。另一方面，现有的轴承刚度计算方法没有考虑轴承内、外圈支撑力和轴承内、外圈变形的耦合作用。现有技术中没有获取准确合理的支撑刚度，对轴承系统进行动力学建模，无法准确体现动力学特性，导致对轴承的振动及使用性能不能准确分析。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法及系统，以解决现有的轴承刚度计算方法没有考虑轴承内、外圈支撑力和轴承内、外圈变形的耦合作用，无法获取准确合理的支撑刚度的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法，包括如下步骤：
[0007]S1，获取轴承组件的基本参数；
[0008]S2，基于小变形假设条件，获取轴承内圈沟道中心O
ij
、外圈沟道中心O
oj
在接触平面内的变形δ
ij
、δ
oj
，与轴承内圈在固定坐标系中内圈变形u
i
和外圈变形u
o
的变换关系；
[0009]S3，根据内、外圈变形前后轴承内圈沟道曲率中心I
j
，和外圈沟道曲率中心O
j
在接触平面内几何关系，建立关于接触角β
ij
、β
oj
和接触变形δ
ij
、δ
oj
的变形协调方程；
[0010]S4，根据给定内、外圈在5个自由度方向的外力和外力矩向量，在旋转坐标系的V轴和W轴上分别建立内圈在5个自由度方向上的静力平衡方程和外圈在5个自由度方向上的静力平衡方程；
[0011]S5，根据步骤S4所述的内、外圈静力平衡方程中的轴承内、外圈支撑力f
i
和f
o
，分别对变形u
i
和u
o
求导，得到支撑刚度矩阵的解析解。
[0012]本基础方案的工作原理和有益效果在于：本技术方案研究轴承受载、变形位移的解析计算方法，根据滚动轴承运动学的基本原理和赫兹接触理论，建立轴承在给定速度和载荷边界条件下刚度的精确数学模型，推导出轴承完整的支撑刚度矩阵的解析公式，并充分考虑旋转机构高速转动时轴承支撑刚度的非线性和时变特性。
[0013]通过所提出方法推导轴承支撑刚度矩阵在非对角先上的耦合元素，充分体现弯曲变形和不同方向的耦合变形对受力的影响。本专利技术不仅计算了轴承内圈支撑力f
i
在内圈产生变形引起的支撑刚度矩阵、轴承外圈支撑力f
o
在外圈产生变形引起的支撑刚度矩阵，还计算了外圈支撑力f
o
在内圈产生变形引起的支撑刚度矩阵和内圈支撑力f
i
在外圈产生变形引起的支撑刚度矩阵，获取准确的支撑刚度矩阵的解析解。通过最优的参数设计轴承或研究对象，从而降低系统的振动，提升系统的运行性能。
[0014]进一步，所述轴承组件包括滚动体、轴承外圈和轴承内圈；
[0015]所述轴承组件的基本参数包括公称内经，径向间隙，初始接触角，滚子数目，内滚道曲率半径，外滚道曲率半径，径向和轴向载荷，弯矩，转速，转子偏心，轴承波纹度，以及支撑类型。
[0016]获取相应参数，利于后续使用。
[0017]进一步，步骤S2中获取变换关系的方法为：
[0018]定义固定坐标系X
‑
Y
‑
Z和旋转坐标系U
‑
V
‑
W，固定坐标系原点位于内、外圈旋转中心O；旋转坐标系原点位于第j个滚珠的几何中心O
j
；对内、外圈都转动的轴承，分别定义其内、外圈的5自由度矢量u
i
＝{x
i
,y
i
,z
i
,θ
xi
,θ
yi
}
T
和u
o
＝{x
o
,y
o
,z
o
,θ
xo
,θ
yo
}
T
；x
i
为内圈在x方向上的平动自由度；y
i
为内圈在y方向上的平动自由度；z
i
为内圈在z方向上的平动自由度；θ
xi
为内圈绕x轴的转动自由度；θ
yi
为内圈绕y轴的转动自由度；x
o
为外圈在x方向上的平动自由度；y
o
为外圈在y方向上的平动自由度；z
o
为外圈在z方向上的平动自由度；θ
xo
为外圈绕x轴的转动自由度；θ
yo
为外圈绕y轴的转动自由度；上标T表示矩阵的转置；
[0019]对于第j个滚珠，分别定义内、外圈沟道中心O
ij
,O
oj
在接触平面内的3自由度矢量δ
ij
＝{v
ij
,w
ij
,θ
uij
}
T
和δ
oj
＝{v
oj
,w
oj
,θ
uoj
}
T
；在第j个滚珠的旋转坐标系U
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取轴承组件的基本参数；S2，基于小变形假设条件，获取轴承内圈沟道中心O
ij
、外圈沟道中心O
oj
在接触平面内的变形δ
ij
、δ
oj
，与轴承内圈在固定坐标系中内圈变形u
i
和外圈变形u
o
的变换关系；S3，根据内、外圈变形前后轴承内圈沟道曲率中心I
j
，和外圈沟道曲率中心O
j
在接触平面内几何关系，建立关于接触角β
ij
、β
oj
和接触变形δ
ij
、δ
oj
的变形协调方程；S4，根据给定内、外圈在5个自由度方向的外力和外力矩向量，在旋转坐标系的V轴和W轴上分别建立内圈在5个自由度方向上的静力平衡方程和外圈在5个自由度方向上的静力平衡方程；S5，根据步骤S4所述的内、外圈静力平衡方程中的轴承内、外圈支撑力f
i
和f
o
，分别对变形u
i
和u
o
求导，得到支撑刚度矩阵的解析解。2.如权利要求1所述的考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑确定获取方法，其特征在于，所述轴承组件包括滚动体、轴承外圈和轴承内圈；所述轴承组件的基本参数包括公称内经，径向间隙，初始接触角，滚子数目，内滚道曲率半径，外滚道曲率半径，径向和轴向载荷，弯矩，转速，转子偏心，轴承波纹度，以及支撑类型。3.如权利要求1所述的考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法，其特征在于，步骤S2中获取变换关系的方法为：定义固定坐标系X
‑
Y
‑
Z和旋转坐标系U
‑
V
‑
W，固定坐标系原点位于内、外圈旋转中心O；旋转坐标系原点位于第j个滚珠的几何中心O
j
；对内、外圈都转动的轴承，分别定义其内、外圈的5自由度矢量u
i
＝{x
i
,y
i
,z
i
,θ
xi
,θ
yi
}
T
和u
o
＝{x
o
,y
o
,z
o
,θ
xo
,θ
yo
}
T
；x
i
为内圈在x方向上的平动自由度；y
i
为内圈在y方向上的平动自由度；z
i
为内圈在z方向上的平动自由度；θ
xi
为内圈绕x轴的转动自由度；θ
yi
为内圈绕y轴的转动自由度；x
o
为外圈在x方向上的平动自由度；y
o
为外圈在y方向上的平动自由度；z
o
为外圈在z方向上的平动自由度；θ
xo
为外圈绕x轴的转动自由度；θ
yo
为外圈绕y轴的转动自由度；上标T表示矩阵的转置；对于第j个滚珠，分别定义内、外圈沟道中心O
ij
,O
oj
在接触平面内的3自由度矢量δ
ij
＝{v
ij
,w
ij
,θ
uij
}
T
和δ
oj
＝{v
oj
,w
oj
,θ
uoj
}
T
；在第j个滚珠的旋转坐标系U
‑
V
‑
W下，v
ij
为内圈滚道中心在v轴方向的平动自由度；w
ij
为内圈滚道中心在w轴方向的平动自由度；θ
uij
为内圈滚道中心在u轴方向的转动自由度；v
oj
为外圈滚道中心在v轴方向的平动自由度；w
oj
为外圈滚道中心在w轴方向的平动自由度；θ
uoj
为外圈滚道中心在u轴方向的转动自由度；在外力和外力矩作用下产生变形，轴承内圈沟道中心O
oj
在接触平面内的变形δ
oj
在小变形假设条件下，满足变换关系，其关系表达式如下：δ
oj
＝T
oj
u
o
其中，T
oj
为轴承坐标变化矩阵。4.如权利要求1所述的考虑中介轴承内外圈同时转动的支撑刚度确定方法，其特征在于，步骤S3中建立关于接触角β
ij
、β
oj
和第j个滚珠分别与内、外圈的接触变形δ
ij
、δ
oj
的变形协调方程如下：根据内、外圈变形前后各中心在接触平面内的几何关系，当轴承内、外圈受力变形后，
内圈沟道中心由I
j
移动到I
j
'，外圈滚道中心由O
j
移动到O
j
',滚珠中心由B
j
移动到B
j
'；根据接触角β
ij
、β
oj
和第j个滚珠与内、外圈的接触变形δ
ij
、δ
oj
的几何关系得：简化后得到变形协调方程：其中，A
wj
和A
vj
根据几何关系可得到；A
wj
＝(L
oj
+L
ij
)sinβ0+(w
ij
‑
w
oj
)A
vj
＝(L
oj
+L
ij
)cosβ0+(v
ij
‑
v
oj
)
‑
r
L
l
ij
＝L
ij
+δ
ij
l
oj
＝L
oj
+δ
oj
其中，r
L
为轴承径向间隙；L
oj
和L
ij
分别为外圈沟道中心Oj和内圈沟道中心I
j
距滚珠中心B
j
距离；δ
ij
和δ
oj
为第j个滚珠与内、外圈的接触变形；w
ij
和v
ij
为内圈在外力和外力矩作用下的变形u
i
导致的内圈沟道曲率中心I
j
在轴向和径向的位移；w
oj
和v
oj
为外圈在外力和外力矩作用下的变形u
o
导致的内圈沟道曲率中心O
j
在轴向和径向的位移；β0为第j个滚珠中心B
j
和轴承外圈沟道曲率中心O
j
在接触平面内形成的一条直线与轴承径向直线角度，即为轴承的名义接触角；X
wj
为变形后第j个滚珠中心B
j
'与外圈沟道曲率中心O
j
'在旋转坐标系中在W轴上的距离；X
vj
为变形后第j个滚珠中心B
j
'与外圈沟道曲率中心O
j
'在旋转坐标系中在V轴上的距离；A
wj
为内、外圈变形后支撑轴承内圈沟道曲率中心I
j
'与外圈沟道曲率中心O
j
'在旋转坐标系中在W轴上的距离；A

【专利技术属性】
技术研发人员：孔程程，余文念，章朝栋，许晋，张玉东，余永波，何志祥，彭一真，黄文彬，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：