低噪音深溝球軸承振動(dòng)特性研究

第一作者鄧四二男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

低噪音深溝球軸承振動(dòng)特性研究

鄧四二1，孫朝陽(yáng)2，顧金芳3，崔永存1(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003； 2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471039；3.上海天安軸承有限公司，上海201108)

摘要：在滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析理論基礎(chǔ)上建立含軸承零件工作表面波紋度的深溝球軸承動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并以某型號(hào)低噪音深溝球軸承為例，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)及諧波參數(shù)下低噪音深溝球軸承的振動(dòng)特性進(jìn)行理論分析。結(jié)果表明，合理選取徑向游隙、內(nèi)外溝曲率半徑系數(shù)及保持架兜孔間隙等參數(shù)能使軸承本身達(dá)到減振降噪目的；振動(dòng)值隨軸承寬度增加逐漸減小；施加一定軸向載荷能有效降低軸承振動(dòng)；存在的合理轉(zhuǎn)速使用范圍能有效降低軸承振動(dòng)；內(nèi)外滾道諧波階次等于鋼球數(shù)目整數(shù)倍時(shí)，軸承振動(dòng)明顯加劇；外滾道激勵(lì)諧波對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為kzfc，內(nèi)滾道激勵(lì)諧波對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為kzfc+fs；偶次諧波階次鋼球表面波紋度對(duì)軸承振動(dòng)有激勵(lì)作用；軸承旋轉(zhuǎn)套圈會(huì)激勵(lì)更大的軸承振動(dòng)值；瞬時(shí)載荷增加或瞬時(shí)速度提高均會(huì)致軸承振動(dòng)增大。

關(guān)鍵詞：深溝球軸承；低噪音；表面波紋度；振動(dòng)

基金項(xiàng)目：國(guó)家十二五科技攻關(guān)項(xiàng)目(JPPT-ZCGX1-1);河南省科技創(chuàng)新杰出人才(144200510020)

收稿日期：2014-01-28修改稿收到日期：2014-04-16

中圖分類號(hào):TH113文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Vibration characteristics of low-noise deep groove ball bearings

DENGSi-er1,SUNChao-yang2,GUJin-fang3,CUIYong-cun1(1. School of Mechatronic Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China； 2. Luoyang Bearing Science and Technology Co., LTD, Luoyang 471039, China； 3. Shanghai Tianan Bearing Co., LTD, Shanghai 201108, China)

Abstract:Based on the dynamic analysis theory of rolling bearings, a dynamic model for deep groove ball bearings considering the effects of bearing components’ working surface waviness was established. Taking a type of low-noise deep groove ball bearing as an example, the bearing vibration characteristics were analyzed theoretically with various bearing structural parameters, working conditions and working surface wavinesses. The results showed that the bearing basic vibration can be reduced by selecting reasonable primary parameters, for instance, bearing radial clearance, inner and outer raceway groove curvature radius coefficients, pocket clearance of cage, and so on; the larger the bearing width, the smaller the bearing vibration; a certain axial loads can reduce effectively the bearing vibration; there is a reasonable rotating speed range for smaller bearing vibration; the severe vibration occurs when the inner and outer raceway surface waviness orders are an integer multiple of the number of balls; the exciting frequency corresponding the waviness orders of outer raceway is kzfc and that of the inner raceway is kzfc+fs; the even waviness orders of ball working surface has an exciting effect on the bearing vibration; the vibration produced by rotating ring is more severe than that of fixed ring; the bearing vibration increases greatly with increase in radial loads or rotating speed.

Key words:deep groove ball bearing; low-noise; surface waviness; vibration

航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用深溝球軸承除長(zhǎng)壽命要求外，振動(dòng)、噪聲要求亦較高。噪聲由軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)以聲波形式經(jīng)周圍介質(zhì)(如空氣)傳播所致，故振動(dòng)為軸承噪聲根源。軸承振動(dòng)涉及其結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況條件、潤(rùn)滑劑及工藝誤差等諸多因素，產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜。目前有關(guān)滾動(dòng)軸承振動(dòng)研究大多基于軸承加工工藝參數(shù)引起的振動(dòng)激勵(lì)機(jī)理[1-5]。夏新濤等[6]通過(guò)研究軸承工作表面諧波分布與軸承振動(dòng)關(guān)系，提出控制軸承套圈加工諧波參數(shù)以達(dá)到降低振動(dòng)；鄧四二等[7]提出軸承套圈光飾強(qiáng)化方法，通過(guò)減小軸承套圈滾道波紋度幅值實(shí)現(xiàn)減振降噪目的；Wardle等[8-9]從理論、試驗(yàn)兩方面研究并驗(yàn)證滾道表面波紋度是產(chǎn)生軸承振動(dòng)激振力根源；Aktürk[10]對(duì)軸承內(nèi)、外滾道接觸表面及鋼球接觸表面波紋度階次與軸承振動(dòng)頻率關(guān)系進(jìn)行研究。所有研究均基于軸承加工參數(shù)波紋度量與振動(dòng)量的關(guān)系分析，缺乏對(duì)低噪音軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)影響系統(tǒng)研究。鑒于此，本文在深溝球軸承動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)上，建立含軸承零件接觸面加工波紋度的深溝球軸承動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，理論研究低噪音深溝球軸承振動(dòng)特性，并對(duì)低噪音深溝球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與振動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析。可為低噪音深溝球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)選取及加工工藝參數(shù)控制提供理論依據(jù)。

1低噪音深溝球軸承動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

1.1軸承接觸表面波紋度數(shù)學(xué)模型

圖1　內(nèi)外滾道波紋度模型 Fig.1 Waviness model of inner and outer raceway

圖2 鋼球波紋度模型 Fig.2 Waviness model of ball

深溝球軸承內(nèi)、外滾道與鋼球接觸處表面形貌及保持架工作面形貌直接影響內(nèi)、外滾道與鋼球間相互作用力，從而影響其振動(dòng)特性。軸承內(nèi)、外套圈及保持架工作表面存在非常復(fù)雜的三維形貌，需掃描獲得三維實(shí)體形貌圖后據(jù)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，過(guò)程較復(fù)雜。為研究方便，本文對(duì)軸承工作表面形貌簡(jiǎn)化處理，主要考慮內(nèi)、外滾道及鋼球工作表面，略去保持架工作表面形貌，對(duì)內(nèi)、外滾道僅考慮鋼球與滾道接觸點(diǎn)法向平面內(nèi)波紋度，見(jiàn)圖1。鋼球?yàn)榍蝮w，在任一截面上鋼球波紋度設(shè)為一致，見(jiàn)圖2。

鋼球與內(nèi)、外溝道接觸處各零件接觸表面波紋度可用余弦函數(shù)表示[11-12]。

外圈滾道接觸處表面波紋度為

2πl(wèi)(j-1)/Z+α1l]

(1)

內(nèi)圈滾道接觸處表面波紋度為

2πl(wèi)(j-1)/Z+α2l]

(2)

鋼球與外滾道接觸處鋼球表面波紋度為

(3)

鋼球與內(nèi)滾道接觸處鋼球表面波紋度為

(4)

式中：l為表面諧波數(shù)；q為總諧波數(shù)；A1l，A2l分別為某l次諧波對(duì)應(yīng)的外、內(nèi)圈滾道表面波紋度幅值，單位μm；Cjl為第j個(gè)鋼球某l次諧波對(duì)應(yīng)的鋼球表面波紋度幅值，單位μm；ω1，ω2，ωc，ωb為軸承外內(nèi)圈、保持架及鋼球自轉(zhuǎn)角速度，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為n1，n2，nc，nb，關(guān)系分別為ω1=2πn1，ω2=2πn2，ωc=2πnc，ωb=2πnb；α1l，α2l分別為某l次諧波對(duì)應(yīng)的外、內(nèi)圈滾道表面波紋度函數(shù)初始相位角；γjl為第j個(gè)鋼球某l次諧波對(duì)應(yīng)的鋼球表面波紋度函數(shù)初始相位角；Z為軸承鋼球數(shù)。

1.2軸承元件間相互作用力數(shù)學(xué)模型

深溝球軸承主要承受徑向載荷，但使用時(shí)一般均在軸向施加一較小預(yù)負(fù)荷，目的為提高其使用壽命、降低振動(dòng)，因此深溝球軸承動(dòng)力學(xué)分析可按小接觸角角接觸球軸承動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行。深溝球軸承鋼球受力見(jiàn)圖3，保持架受力見(jiàn)圖4，鋼球與溝道間相互作用后接觸角、變形及位移幾何關(guān)系見(jiàn)圖5，相關(guān)符號(hào)含義見(jiàn)表1，求解見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

圖3　鋼球受力示意圖 Fig.3 Schematic diagram of ball forces

圖4　保持架平衡狀態(tài) Fig.4 Equilibrium state of cage

圖5　接觸角、變形和位移的幾何關(guān)系 Fig.5 Geometrical relationship of contact angle, distortion and displacement

作用力含義Tη1j鋼球-外滾道接觸面上的拖動(dòng)力Tη2j鋼球-內(nèi)滾道接觸面上的拖動(dòng)力FRη1j鋼球-外滾道接觸入口區(qū)的流體動(dòng)壓摩擦力FRη2j鋼球-內(nèi)滾道接觸入口區(qū)的流體動(dòng)壓摩擦力FHη1j作用于鋼球中心的流體動(dòng)壓合力水平分量FHη2j作用于鋼球中心的流體動(dòng)壓合力水平分量Q1j鋼球與外滾道作用力Q2j鋼球與內(nèi)滾道作用力FNj鋼球慣心力分量FDj油-氣混合物對(duì)鋼球的空氣動(dòng)力阻力Tξ1j鋼球-滾道接觸面上的拖動(dòng)力Tξ2j鋼球-滾道接觸面上的拖動(dòng)力FRξ1j鋼球-滾道接觸入口區(qū)的流體動(dòng)壓摩擦力FRξ2j鋼球-滾道接觸入口區(qū)的流體動(dòng)壓摩擦力FHξ1j作用于鋼球中心的流體動(dòng)壓合力水平分量FHξ2j作用于鋼球中心的流體動(dòng)壓合力水平分量PRηj作用于兜孔表面流體動(dòng)壓摩擦力PSηj接觸面入口區(qū)流體動(dòng)壓摩擦力PRξj接觸面入口區(qū)的流體動(dòng)壓摩擦力PSξj接觸面入口區(qū)的流體動(dòng)壓摩擦力Qcj法向接觸力Fτj鋼球慣心力分量ωxj編號(hào)為j的鋼球X軸角速度分矢量ωyj編號(hào)為j的鋼球Y軸角速度分矢量ωzj編號(hào)為j的鋼球Z軸角速度分矢量Jx,Jy,Jz轉(zhuǎn)動(dòng)慣量X,Y,Z軸分量F'cy作用于保持架的合力Fc的y軸分量F'cz作用于保持架的合力Fc的z軸分量M'cx由體動(dòng)壓油膜的分布?jí)毫σ鸬哪Σ亮卅c,Δzc保持架質(zhì)心偏離坐標(biāo)值α1j,α2j準(zhǔn)動(dòng)力學(xué)平衡條件下的工作接觸角mb鋼球質(zhì)量x··j,y··j,z··j分別為鋼球在x,y,z方向上的加速度

據(jù)滾動(dòng)體、保持架受力情況，建立深溝球軸承動(dòng)力學(xué)微分方程組。

1.2.1滾動(dòng)體動(dòng)力學(xué)微分方程組

Q2jsinα2j-Q1jsinα1j+Tη2jcosα2j-

Tη1jcosα1j-FRη2jcosα2j+FRη1jcosα1j+

(5)

Q2jcosα2j-Q1jcosα1j-Tη2jsinα2j+Tη1jsinα1j+

FRη2jsinα2j-FRη1jsinα1j-FHη2jsinα2j+

(6)

Tξ1j-Tξ2j-FRξ1j+FRξ2j+FHξ1j-

(7)

0.5(Tξ1j-FRξ1j)DWcosα1j-0.5(PSηj+PRηj)DW+

(8)

0.5(FRξ1j-Tξ1j)DWsinα1j-0.5(PSξj+PRξj)DW+

(9)

0.5(Tη1j-FRη1j)DW+0.5(Tη2j-FRη2j)DW-

(10)

1.2.2保持架動(dòng)力學(xué)微分方程組

(13)

式中：Fcy，F(xiàn)cz，Mcx為

(14)

式中：

(15)

式(15)中內(nèi)圈引導(dǎo)為+，外圈引導(dǎo)為-。

(16)

式(16)中內(nèi)圈引導(dǎo)為-，外圈引導(dǎo)為+。

1.2.3位移(Δ)-變形(δ1(2)j)相容條件

由圖5可得

Ax=[(f1+f2)Dw-(Dw+w1j+w2j)]sinα0+

[Δx+RZ(θysinφ+θzcosφ)]=

[f1Dw-(0.5Dw+w1j)-p1j+δ1j]sinα1j+

[f2Dw-(0.5Dw+w2j)-p2j+δ2j]sinα2j

(18)

Ay=[(f1+f2)Dw-(Dw+w1j+w2j)]cosα0+

[Δycosφ+Δzsinφ]=

[f1Dw-(0.5Dw+w1j)-p1j+δ1j]cosα1j+

[f2Dw-(0.5Dw+w2j)-p2j+δ2j]cosα2j

(19)

式中: α0為軸承原始接觸角(輸入?yún)?shù))，rad；

(20)

(f2-0.5)Dw-w2j-p2j(m)

(21)

α1j=arctg(x1/y1)(rad)

(22)

α2j=arctg[(Ax-x1)/[Ay-y1]](rad)

(23)

1.2.4軸承內(nèi)圈動(dòng)力學(xué)微分方程組

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

式中：

(29)

2深溝球軸承動(dòng)力學(xué)性能分析

表2　軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)球軸承振動(dòng)影響

設(shè)軸承在環(huán)境溫度下工作，各零件接觸表面為理想真圓，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速10 000 r/min，軸承徑向平面內(nèi)Y軸向徑向載荷1 200 N，徑向平面內(nèi)Z軸向徑向載荷0 N，軸向載荷(X軸向)0 N。分析結(jié)果取軸承內(nèi)圈質(zhì)心Y軸向徑向振動(dòng)加速度級(jí)描述整個(gè)軸承振動(dòng)水平。

2.1.1徑向游隙對(duì)軸承振動(dòng)影響

在0組徑向游隙范圍內(nèi)軸承徑向游隙值與振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6看出，徑向游隙對(duì)軸承振動(dòng)影響較大，且呈非線性特性，存在一個(gè)使軸承振動(dòng)最小的合理徑向游隙。隨徑向游隙從5～20μm變化，軸承振動(dòng)呈先減小后增大趨勢(shì)，徑向游隙為11 μm時(shí)軸承振動(dòng)最小。

2.1.2外溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)影響

徑向游隙取11 μm時(shí)外溝曲率半徑系數(shù)與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖7。由圖7看出，隨外溝曲率半徑系數(shù)從0.51變化到0.57，軸承振動(dòng)呈先減小后增大趨勢(shì)，f1取值0.530.54時(shí)有利于軸承減振降噪。

2.1.3內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)影響

徑向游隙取11 μm時(shí)內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖8。由圖8看出，內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)選取對(duì)軸承振動(dòng)影響較大。f2>0.52時(shí)軸承振動(dòng)逐漸加劇，本文f2適宜取0.51。

2.1.4寬度對(duì)軸承振動(dòng)影響

軸承寬度與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖9。由圖9看出，隨寬度逐漸增大軸承振動(dòng)越來(lái)越小。因此，軸承設(shè)計(jì)時(shí)在其使用空間許可范圍內(nèi)，可通過(guò)增大寬度實(shí)現(xiàn)軸承減振降噪。

2.1.5保持架兜孔間隙對(duì)軸承振動(dòng)影響

低噪音深溝球軸承保持架類型較多，應(yīng)用最廣的有浪型保持架、尼龍保持架兩種，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。其中，浪型保持架材料為GCr15，尼龍保持架材料為PA66。保持架兜孔間隙對(duì)軸承振動(dòng)影響關(guān)系見(jiàn)圖11。由圖11看出，對(duì)兩種不同保持架，軸承振動(dòng)隨保持架兜孔間隙增大呈先減小后增大趨勢(shì)。保持架兜孔間隙取0.1～0.15 mm值時(shí)，軸承振動(dòng)相對(duì)較小。從降低軸承振動(dòng)角度，采用浪型保持架較尼龍保持架好，因尼龍保持架為半開(kāi)口非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，保持架質(zhì)心偏離軸承中心截面，相當(dāng)于為保持架施加一不平衡量，激勵(lì)軸承產(chǎn)生振動(dòng)。

對(duì)沖壓浪型保持架，一般有橢圓形球兜孔與圓形球兜孔兩種形狀。圓形球兜孔保持架球兜孔半徑與深度相等；而橢圓形球兜孔保持架球兜孔半徑與深度不相等。本文將保持架球兜孔半徑與深度差值定義為保持架球兜孔偏心距，用符號(hào)e表示(圖10(b))。保持架球兜孔偏心距與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖12。由圖12看出，具有一定球兜孔偏心距的保持架能有效降低軸承振動(dòng)。隨偏心距逐漸增大軸承振動(dòng)呈先減小后增大趨勢(shì)。該型號(hào)軸承保持架球兜孔偏心距最佳值為0.04 mm。

圖6 軸承徑向游隙對(duì)軸承振動(dòng)的影響Fig.6Effectofbearingradialclearancesonvibrationvalue圖7 外滾道溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)的影響Fig.7Effectofoutergroovecurvatureradiuscoefficientsonvibrationvalue圖8 內(nèi)滾道溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)的影響Fig.8Effectofinnergroovecurvatureradiuscoefficientsonvibrationvalue圖9 軸承寬度對(duì)軸承壽命的影響Fig.9Effectofbearingwidthonvibrationvalue

圖10　保持架結(jié)構(gòu)圖 Fig.10 Diagram of cage structure

2.2工況參數(shù)對(duì)球軸承振動(dòng)影響

設(shè)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈靜止，軸承徑向游隙取11μm，采用沖壓浪型保持架。

2.2.1軸向預(yù)載荷對(duì)軸承振動(dòng)影響

在內(nèi)圈轉(zhuǎn)速n2=11 000 r/min、徑向平面內(nèi)Y軸向軸承徑向載荷1 200 N工況下軸向預(yù)載荷與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖13，與軸承壽命關(guān)系見(jiàn)圖14。由圖13看出，對(duì)深溝球軸承施加一定軸向預(yù)載荷可有效降低軸承振動(dòng)，且軸向預(yù)載荷與軸承額定動(dòng)負(fù)荷之比在0.53%0.89%之間時(shí)，軸承振動(dòng)最小。此分析與文獻(xiàn)[14]結(jié)論一致。由圖14看出，對(duì)深溝球軸承施加一定軸向預(yù)載荷利于提高軸承疲勞壽命，且軸向預(yù)載荷與軸承額定動(dòng)負(fù)荷之比在0.05%0.4%之間時(shí)，軸承疲勞壽命最長(zhǎng)。綜合圖13、圖14知，對(duì)深溝球軸承，軸向預(yù)載荷能有效降低軸承振動(dòng)、提高其疲勞壽命，但較難確定能同時(shí)使軸承壽命最大、振動(dòng)最低的最佳軸向預(yù)載荷，低噪音深溝球軸承軸向預(yù)載荷選取可在滿足使用壽命下使軸承振動(dòng)最低的合理軸向預(yù)載荷。

圖11 保持架兜孔間隙對(duì)軸承振動(dòng)的影響Fig.11Effectofthecagepocketclearanceonvibrationvalue圖12 保持架球兜孔偏心距對(duì)振動(dòng)的影響Fig.12Effectofthecagepocketeccentricityonvibrationvalue圖13 軸承軸向載荷與軸承振動(dòng)的關(guān)系Fig.13Effectofaxialloadsonvibrationvalue圖14 軸承軸向載荷與軸承壽命的關(guān)系Fig.14Effectofaxialloadsonbearinglife

2.2.2徑向載荷對(duì)軸承振動(dòng)影響

內(nèi)圈轉(zhuǎn)速11 000 r/min、軸向載荷為0 N情況下在徑向平面內(nèi)Y軸向徑向載荷與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖15。由圖15看出，隨載荷逐漸增大軸承振動(dòng)越大。

2.2.3轉(zhuǎn)速對(duì)軸承振動(dòng)影響

平面內(nèi)Y軸徑向載荷1 200 N、Z軸徑向載荷0 N、軸向載荷0 N工況下軸承轉(zhuǎn)速與振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖16。由圖16看出，隨轉(zhuǎn)速增大軸承振動(dòng)呈先增大后減小再增大趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速與振動(dòng)值之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。對(duì)低噪音深溝球軸承，存在一個(gè)合理的使用轉(zhuǎn)速范圍。

2.2.4沖擊載荷對(duì)軸承振動(dòng)影響

軸承在使用過(guò)程中，會(huì)伴隨外載荷或轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)變化。瞬時(shí)沖擊載荷會(huì)激勵(lì)軸承振動(dòng)。軸承外載沖擊變化量與軸承振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖17。由圖17看出，軸承振動(dòng)隨外載沖擊量增加而增大。外載沖擊變化量與軸承內(nèi)圈幅頻見(jiàn)圖18。由圖18可知，軸承以593.7 Hz為主要頻率，對(duì)應(yīng)的倍頻幅值逐漸遞減，該主頻與理論計(jì)算的變剛度頻率fvc(fvc=zfc=597.4 Hz)較接近，誤差僅0.6%。因此，外載荷變化不會(huì)改變軸承振動(dòng)頻率。

軸承轉(zhuǎn)速?zèng)_擊變化量與振動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖19。由圖19可知，軸承振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速?zèng)_擊量增大快速增大，軸承振動(dòng)與轉(zhuǎn)速?zèng)_擊量之間呈指數(shù)關(guān)系。軸承轉(zhuǎn)速?zèng)_擊變化量與振動(dòng)頻率及振幅關(guān)系見(jiàn)圖20。由圖20可知，軸承以648.8 Hz為主要頻率，對(duì)應(yīng)的倍頻幅值逐漸遞減，該主頻數(shù)值與0.5(fvc1+fvc2)=0.5(597.4+716.8)=657.1較接近，誤差僅1.2%。其中fvc1,fvc2為速度變化前后軸承變剛度頻率，計(jì)算方法同前。

2.3工藝諧波參數(shù)對(duì)振動(dòng)影響

設(shè)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速10 000 r/min，外圈靜止，徑向游隙取11 μm，采用沖壓浪型保持架；軸承徑向平面內(nèi)Y軸徑向載荷1 200 N， Z軸徑向載荷0 N，軸向載荷0 N。分別對(duì)不同諧波參數(shù)下軸承進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，獲得各零件接觸表面諧波參數(shù)對(duì)軸承振動(dòng)影響關(guān)系。

2.3.1外滾道表面波紋度對(duì)軸承振動(dòng)影響

設(shè)軸承內(nèi)滾道及鋼球表面為理想幾何形狀，僅外滾道表面存在加工形狀誤差。外滾道諧波階次對(duì)軸承振動(dòng)影響見(jiàn)圖21。由圖21可知，諧波階次及幅值對(duì)軸承振動(dòng)均有較大影響。諧波階次一定時(shí)，幅值越大軸承振動(dòng)越劇烈；隨諧波階次逐漸增大，軸承振動(dòng)值呈遞增趨勢(shì)；諧波階次為鋼球數(shù)目整數(shù)倍時(shí)，軸承振動(dòng)明顯增大。與文獻(xiàn)[4，15]結(jié)論一致。(z+1)次諧波與(z-1)次諧波對(duì)軸承振動(dòng)影響基本相同。外滾道波紋度激勵(lì)的軸承振動(dòng)頻率見(jiàn)圖22。由圖22知，當(dāng)外滾道諧波階次為9時(shí)，激勵(lì)頻率為592 Hz，與理論計(jì)算的變剛度頻率fvc=zfc=597.36 Hz較接近，誤差為0.9%；當(dāng)外滾道諧波階次為18時(shí)，激勵(lì)頻率為1 184.1 Hz，是變剛度頻率的2倍。因此可得，外滾道諧波階次l1=kz時(shí)，激勵(lì)的軸承振動(dòng)頻率f=kfvc=kzfc,k=1,2…。

圖15 軸承徑向載荷與軸承振動(dòng)的關(guān)系Fig.15Effectofradialloadsonvibrationvalue圖16 軸承轉(zhuǎn)速與軸承振動(dòng)的關(guān)系Fig.16Effectofbearingrotatingspeedonvibrationvalue圖17外載沖擊變化量與軸承振動(dòng)的關(guān)系Fig.17Effectofloadsimpactonvibrationvalue圖18 外載沖擊下內(nèi)圈幅頻圖Fig.18Spectrumoftheinnerringatloadsimpact

圖19　轉(zhuǎn)速?zèng)_擊量與軸承振動(dòng)的關(guān)系 Fig.19 Effect of speed impact on vibration value

圖20　轉(zhuǎn)速?zèng)_擊下內(nèi)圈頻譜圖 Fig.20 Spectrum of inner ring at impact of speed

圖21　外圈滾道波紋度對(duì)振動(dòng)的影響 Fig.21 Effect of outer raceway surface waviness on vibration value

圖22　外滾道波紋度頻譜圖 Fig.22 Spectrum of outer raceway surface waviness

2.3.2內(nèi)滾道表面波紋度對(duì)軸承振動(dòng)影響

設(shè)軸承外滾道及鋼球表面為理想接觸表面，內(nèi)滾道波紋度階次對(duì)軸承振動(dòng)影響見(jiàn)圖23。由圖23可知，內(nèi)滾道波紋度對(duì)振動(dòng)影響規(guī)律與外滾道基本一致。圖24為內(nèi)滾道波紋度激勵(lì)的軸承振動(dòng)頻率。可見(jiàn)當(dāng)內(nèi)滾道諧波階次為9、激勵(lì)頻率756.8 Hz時(shí)，與fvc+fs=764.02 Hz較接近，誤差僅0.94%，其中內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率fs=n2/60；當(dāng)內(nèi)滾道諧波階次為18、激勵(lì)頻率為1 342.8 Hz時(shí)，與2fvc+fs=1 361.5 Hz較接近，誤差僅1.3%。因此可得，內(nèi)滾道諧波階次l2=kz時(shí)激勵(lì)的軸承振動(dòng)頻率f=kfvc+fs,k=1,2…。

圖23　內(nèi)圈滾道波紋度對(duì)振動(dòng)的影響 Fig.23 Effect of inner raceway surface waviness on vibration value

圖24　內(nèi)滾道波紋度頻譜圖 Fig.24 Spectrum of inner raceway surface waviness

圖25　內(nèi)、外滾道波紋度對(duì)振動(dòng)的影響 Fig.25 Effect of inner and outer raceway surface waviness on vibration value

圖26　內(nèi)、外滾道波紋度頻譜圖 Fig.26 Spectrum of inner and outer raceway surface waviness

圖27　鋼球表面波紋度頻譜圖 Fig.27 Spectrum of ball surface waviness

2.3.3內(nèi)、外滾道聯(lián)合波紋度對(duì)軸承振動(dòng)影響

設(shè)軸承鋼球表面為理想接觸表面，內(nèi)、外滾道波紋度階次對(duì)軸承振動(dòng)影響見(jiàn)圖25。由圖25可知，軸承內(nèi)、外滾道同時(shí)存在波紋度，軸承振動(dòng)值較單一滾道波紋度激勵(lì)的振動(dòng)值大，內(nèi)滾道更大。因內(nèi)滾道與鋼球均有6個(gè)自由度，且內(nèi)圈為動(dòng)圈。

內(nèi)、外滾道同時(shí)存在波紋度時(shí)，激勵(lì)的軸承振動(dòng)頻率見(jiàn)圖26。由圖26知，當(dāng)l1=l2=kz,k=1,2時(shí)，軸承同時(shí)存在兩種頻率成分，即變剛度頻率f=kfvc,k=1,2及內(nèi)滾道波紋度激勵(lì)出的派生頻率f=kfvc+fs,k=1,2。

2.3.4鋼球表面波紋度對(duì)軸承振動(dòng)影響

設(shè)軸承內(nèi)外滾道接觸表面為理想表面，每個(gè)鋼球表面波紋度分布一致。鋼球表面諧波幅值為0.05 μm時(shí)諧波階次(lb=2k,k=1,2,3…)對(duì)軸承徑向振動(dòng)幅值(一階、二階固有頻率下)影響規(guī)律見(jiàn)圖27。由圖27看出，鋼球表面諧波階次不改變軸承一、二階固有頻率值，而振幅值隨諧波階次增加逐漸增大。

3結(jié)論

(1) 合理優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)，能從設(shè)計(jì)角度降低軸承振動(dòng)、噪聲。如選擇具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的浪形保持架較尼龍保持架更利于降低軸承振動(dòng)值；浪型保持架所具有的偏心距能進(jìn)一步降低軸承振動(dòng)值。

(2)對(duì)低噪音深溝球軸承施加一定軸向載荷，可有效降低軸承振動(dòng)值，軸向載荷取(0.53%～0.89%)Cr為宜。

(3)軸承旋轉(zhuǎn)套圈激勵(lì)的軸承振動(dòng)值更大，內(nèi)、外滾道諧波階次等于鋼球數(shù)目整數(shù)倍時(shí)，軸承振動(dòng)會(huì)明顯加劇。內(nèi)、外滾道激勵(lì)諧波對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為kzfc+fs及kzfc。故軸承加工過(guò)程中應(yīng)控制諧波階次產(chǎn)生。

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