ADAMS二次開發技術在滾動軸承動力學分析中的應用

張風琴，李兵建，田宇，李笛

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.一拖(洛陽)柴油機有限公司，河南 洛陽 471003；3.河南有線電視網絡集團有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471009)

滾動軸承雖然結構簡單，但是由于各零件間的相互作用力比較復雜，再加上潤滑劑的作用，從而導致動力學分析非常復雜，由此建立的非線性方程組的求解也很困難。下文對機械系統動力學仿真軟件ADAMS進行二次開發，建立了軸承動力學分析的專用模塊，借助ADAMS強大的微分方程求解器和圖形及數據前、后處理功能，不但可以大大縮短動力學分析所需時間，提高仿真效率，保證分析結果的準確性，而且具有較高的可靠性。

1 軸承動力學分析模塊

隨著高速時代的到來，對軸承的要求越來越高，而在高速、輕載條件下軸承的動態特性直接影響主機的動態性能和可靠性。軸承在工作狀態下的發熱,保持架運轉的不穩定,滾動體的傾斜、歪斜和打滑以及早期磨損等是造成軸承早期失效的主要原因，因此對軸承進行動力學分析已成為高速軸承設計中的重要環節[1]。

1.1 ADAMS/View用戶化界面的開發

對ADAMS進行二次開發建立的軸承動力學分析模塊可以快速、準確地建立其虛擬樣機模型，通過該用戶化界面的設計功能使操作界面更友好，更易于操作。軸承動力學分析模塊中主要包括以下幾類用戶化界面的開發。

1.1.1 菜單

基于ADAMS建立一個Bearing的菜單[2]，并創建5個子菜單，分別為創建零件、添加約束及作用力、仿真分析、優化分析和查看結果。每個菜單下都有與其相應的子菜單，如創建零件的子菜單包括創建內圈、外圈、滾動體、保持架、密封圈和防塵蓋等。

其中，建立下拉菜單的命令為：

MENU1 Bearing

NAME=bearing

BUTTON2 Model

NAME=create

CMD=int dia disp dia=.gui.geometry_parameter

BUTTON2 Constraint

NAME=constraint

CMD=int dia disp dia=.gui.add_constraint

BUTTON2 Simulation

NAME=motion simulation

CMD=int dia disp dia=.gui.motion_simulation

BUTTON2 Optimization

NAME=optimization analysis

CMD=int dia disp dia=.gui.optimization_analysis

BUTTON2 Results

NAME=results

CMD=int dia disp dia=.gui.results

1.1.2 對話框

ADAMS中使用的對話框包括各種界面對象，通過使用ADAMS的對話框編輯器可以創建和修改對話框，以更好地滿足用戶需要。創建自定義的對話框后，通過單擊菜單上的按鈕即可彈出用戶自定義的各種對話框[3]，在其中輸入相應的軸承參數后，點擊確定就可自動生成相應的模型，其中修改軸承幾何模型的對話框如圖1所示。

圖1 修改軸承模型的對話框

1.2 用戶自定義程序

由于函數表達式極易操作，且不必編譯或連接，因此在一般情況下，ADAMS的大部分功能通過函數表達式即可完成，但對于復雜的情況，如本算例中判斷潤滑油狀態的邏輯判斷用ADAMS/Solver提供的函數就難以表達。而用戶自定義子程序則可以利用編程語言[4-5](C++或FORTRAN)定義模型的元素，比函數表達式更具通用性和有效性。在軸承的動力學分析中需要使用GFORCE控制滾道與滾動體之間的作用力，通過ADAMS自帶的子程序SUBROUTINE GFOSUB(ID,TIME,PAR,NPAR,DFLAG,&IFLAG,RESULT) 即可實現。在實時計算滾道與滾動體之間的作用力時，需要用到一些軸承的系統狀態參數，比如內、外圈的轉速，滾動體的自轉速度、公轉速度以及滾動體的徑向位移與軸向位移等，而通過ADAMS自帶的一些功能子程序(Utility Subroutine)即可獲取軸承的系統狀態，比如獲取滾動體的位移和速度的語句分別表示如下：

CALL SYSFNC(′DM′,ipar,2,DIS(6),errflg)；

CALL SYSFNC(′WM′,ipar,2,VOL(2),errflg)。

1.3 ADAMS算法

ADAMS利用修正的Newton-Raphson算法求解一系列的線性和非線性方程。對動力學的微分方程來說，ADAMS有以下幾種不同的積分算法：如果系統為剛性系統，ADAMS會自動選擇變系數的BDF剛性積分程序來計算，BDF是一種自動變階的、變步長的預估校正法，其在積分的每一步都會自動采用此修正的Newton-Raphson迭代算法求解方程；如果系統為高頻系統，則采用坐標分塊的方法，將微分-代數方程簡化成常微分方程，然后再分別利用ABAM法和Runge-Kutta法對其進行求解。基于以上算法，對于動力學分析來說，利用ADAMS可以使求解的結果更加準確、穩定。

1.4 虛擬樣機參數化模型的建立

ADAMS提供了十分強大的參數化建立模型的功能，用戶在建立虛擬樣機的模型之前，要根據最終分析的要求確定ADAMS中的設計變量，當用戶需要更新虛擬樣機模型時，只需簡單地改變設計變量即可。利用ADAMS強大的參數化功能，用戶可以避免一些重復性的或復雜的工作，因此可縮短建立模型的時間，大大提高工作效率。

下文利用參數表達式對ADAMS進行二次開發，使用宏命令和條件命令、循環命令等定制ADAMS的用戶化界面，利用軟件自帶的cmd語言實現圓柱滾子軸承的自動建模和仿真控制。虛擬樣機模型為圓柱滾子軸承NU1020，內圈不帶擋邊，外圈帶雙擋邊，滾子素線類型是直素線,保持架由外圈引導，其基本參數為內徑d=100 mm，外徑D=150 mm，寬度B=24 mm，滾子數Z=24粒，滾子直徑Dw=12 mm，滾子長度Lw=12 mm，基本額定靜載荷C0r=85 kN。基本額定動載荷Cr=114 kN。其虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 ADAMS中生成的三維軸承模型

2 實際應用

利用軸承動力學分析的專有模塊建立系統模型，如圖3所示，該三維模型上已經添加了各種驅動、約束和作用力等。利用ADAMS的二次開發技術建立的滾子軸承模型仿真后的結果如圖4～圖6所示，模擬工況條件為外圈固定，內圈轉速為5 000 r/min，徑向載荷為2 000 N。

圖3 軸承的系統模型

滾子與滾道之間的法向接觸力如圖4所示，虛線表示滾子與外滾道之間的接觸力，實線表示滾子與內滾道之間的接觸力，兩者的差值即為滾子的離心力。保持架與外圈引導面之間的流體作用力如圖5所示，由圖可知，兩者之間的作用力雖有所波動，但已基本穩定。保持架的質心軌跡如圖6所示，保持架的質心在y，z平面內的位移基本相等，其軌跡大致呈橢圓狀。由圖4～圖6可知，建立軸承的動力學仿真模型后，可以快速、直觀地展現其運動仿真的結果。

圖4 滾子與滾道之間的接觸

圖5 保持架與引導面間的流體作用力

圖6 保持架質心軌跡

3 結束語

利用ADAMS強大的二次開發功能建立的滾動軸承的動力學分析模塊，與傳統的動力學分析軟件相比，不僅可以大大提高分析效率，而且具有可靠性及可視化程度高等優點。