雙列調(diào)心凹面滾子軸承接觸載荷分析

楊虎，江巖，張文虎，謝鵬飛，李峰

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039； 3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；4.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100176； 5.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003； 6.常州光洋軸承股份有限公司 博士后工作站，江蘇 常州 213001)

雙列調(diào)心凹面滾子軸承結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的調(diào)心性能，可以承受一定的傾覆力矩[1-2]，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的襟翼、縫翼、方向舵、升降舵等系統(tǒng)。雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子與滾道之間的接觸載荷直接影響軸承的使用壽命和可靠性，以及飛機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。國內(nèi)外對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承的接觸載荷研究很多：文獻(xiàn)[3]考慮滾子傾斜的影響，假設(shè)接觸區(qū)域壓力成線性分布，計(jì)算出單列調(diào)心凹面滾子軸承滾子與滾道的接觸應(yīng)力；文獻(xiàn)[4]提出滿裝雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子與滾子、滾子與滾道的接觸部位不同，從而大大提高了軸承承載能力；文獻(xiàn)[5-8]基于靜力學(xué)分析了雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子修形對(duì)滾子與滾道間接觸應(yīng)力的影響，并得到了沿滾子長度方向的應(yīng)力分布；文獻(xiàn)[9]通過數(shù)值計(jì)算和有限元分析得到了單列凹面滾子軸承的承載能力，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

上述文獻(xiàn)對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承接觸載荷做了大量研究，但未涉及接觸載荷特性的動(dòng)力學(xué)研究。鑒于此，建立雙列調(diào)心凹面滾子軸承動(dòng)力學(xué)分析模型，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承接觸載荷的影響。

1 雙列調(diào)心凹面滾子軸承動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)翼部分示意圖如圖1所示，后緣襟翼通過2套雙列調(diào)心凹面滾子軸承繞著機(jī)翼的固定部分轉(zhuǎn)動(dòng)，可以擴(kuò)大機(jī)翼的面積和彎度，達(dá)到增加升力和控制阻力的目的，在飛機(jī)的起飛、高速飛行以及著陸階段均起重要作用。雙列調(diào)心凹面滾子軸承作為機(jī)翼的固定部分與后緣襟翼的連接部件，其性能將直接影響飛機(jī)的性能。

1—機(jī)翼固定部分；2—雙列調(diào)心凹面滾子軸承；3—軸承與后緣襟翼連接件；4—后緣襟翼部分圖1 機(jī)翼部分示意圖Fig.1 Diagram of wing part

1.1 坐標(biāo)系建立

為便于對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承的性能進(jìn)行分析，建立坐標(biāo)系(圖2)：1)以軸承中心O為原點(diǎn)建立固定坐標(biāo)系Oxyz，x軸沿軸承軸向方向。2)以滾子中心Ow為原點(diǎn)建立滾子坐標(biāo)系Owxwywzw，xw軸沿滾子軸線方向，yw軸指向軸承中心。滾子坐標(biāo)系為動(dòng)坐標(biāo)系，隨滾子運(yùn)動(dòng)。在坐標(biāo)系Owxwywzw中可以測(cè)量滾子自轉(zhuǎn)速度。3)分別以保持架質(zhì)心Oc1，Oc2為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系Oc1xc1yc1zc1和Oc2xc2yc2zc2，xc1,xc2軸均沿軸承軸向方向。4)以保持架兜孔中心Op為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系Opxpypzp，xp軸沿滾子軸線方向，坐標(biāo)系隨保持架運(yùn)動(dòng)，在該坐標(biāo)系中可以測(cè)量滾子相對(duì)于保持架兜孔中心的位移。

圖2 雙列調(diào)心凹面滾子軸承坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate system of double row spherical concave roller bearing

1.2 動(dòng)力學(xué)微分方程組

滾子受力如圖3所示，圖中：下標(biāo)i,e分別代表內(nèi)、外圈滾道，下標(biāo)j代表第j個(gè)滾子,Qij,Qej分別為內(nèi)、外圈滾道與滾子之間的法向接觸力，Tij,Tej分別為內(nèi)、外圈滾道與滾子之間的油膜拖動(dòng)力，MQij,MQej分別為內(nèi)、外圈滾道與滾子之間的法向接觸力所產(chǎn)生的力矩，MTij,MTej分別為內(nèi)、外圈滾道與滾子之間油膜拖動(dòng)力產(chǎn)生的力矩，Qcj,Fcj分別為保持架橫梁與滾子之間的法向接觸力與切向摩擦力，F(xiàn)wj為滾子離心力。滾子動(dòng)力學(xué)微分方程為

圖3 滾子受力示意圖Fig.3 Diagram of roller forces

(1)

Tejsinφj-Tijsinφj+Qcjsinφj+Fcjcosφj-

Frjcosαecosφj，

(2)

Tejcosφj-Tijcosφj+Qijcosφj+Fcjsinφj-

Fwjcosαesinφj，

(3)

MFejsinαe，

(4)

MQijsinφj?MTijsinαisinφj±MQcjcosαecosφj?

MTcjsinαesinφj，

(5)

MQijcosφj±MTijsinαisinφj?MQcjcosφj±

MTcjsinαesinφj，

(6)

保持架受力如圖4所示，圖中：Fcy1,Fcy2為內(nèi)圈對(duì)保持架引導(dǎo)力Fc沿法向的分量，F(xiàn)cz1,Fcz2為內(nèi)圈對(duì)保持架引導(dǎo)力Fc沿切向的分量。保持架動(dòng)力學(xué)微分方程組為

圖4 保持架受力示意圖Fig.4 Diagram of cage forces

(7)

(Fcz1+Fcz2)sinφj-(Fcy1+Fcy2)sinφj]，

(8)

(Fcz1+Fcz2)sinφj+(Fcy1+Fcy2)sinφj]，

(9)

(10)

Fcy1cosφj(Bcage-Bc1)-Fcz1sinφj(Bcage-Bc1)+

Fcy2cosφjBc1+Fcz2sinφjBc1，

(11)

Fcy2sinφjBc1+Fcz2cosφjBc1，

(12)

內(nèi)圈除受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩外，還受到滾子的法向接觸力和油膜拖動(dòng)力的作用，內(nèi)圈動(dòng)力學(xué)微分方程組為

(13)

(14)

1.3 求解過程

雙列調(diào)心凹面滾子軸承的運(yùn)動(dòng)情況及內(nèi)部的相互作用復(fù)雜，包括滾子與內(nèi)外圈的作用力、滾子與保持架的作用力及保持架與引導(dǎo)套圈的作用力等，各零件間相互作用力的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[10]，軸承運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及作用力在運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)刻變化，油膜拖動(dòng)力也時(shí)刻變化。

建立雙列調(diào)心凹面滾子軸承的三維模型，考慮軸承運(yùn)動(dòng)過程中拖動(dòng)力的變化及滾子的傾斜和歪斜等，對(duì)所建立的雙列調(diào)心凹面滾子軸承動(dòng)力學(xué)微分方程進(jìn)行求解，求解過程如圖5所示。

圖5 雙列調(diào)心凹面滾子軸承動(dòng)力學(xué)模型的求解過程Fig.5 Solution process of double row spherical concave roller bearing dynamic model

2 雙列調(diào)心凹面滾子軸承接觸載荷分析

以某雙列調(diào)心凹面滾子軸承為例進(jìn)行分析，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 雙列調(diào)心凹面滾子軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of double row spherical concave roller bearing

2.1 模型驗(yàn)證

假設(shè)雙列調(diào)心凹面滾子軸承僅受徑向載荷，在不同徑向載荷下，本文方法與文獻(xiàn)[10]中所采用的靜力學(xué)分析方法計(jì)算的0°方位角處滾子最大接觸載荷如圖6所示，滾子最大接觸載荷隨徑向載荷增大而增大，2種計(jì)算方法一致性較好，驗(yàn)證了本文動(dòng)力學(xué)模型的正確性。本文計(jì)算結(jié)果較大，這是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)計(jì)算中考慮滾子離心力的作用。

圖6 不同徑向載荷下滾子最大接觸載荷Fig.6 Maximum contact load of rollers under different radial loads

2.2 工況參數(shù)對(duì)滾子最大接觸載荷的影響

2.2.1 軸向載荷

在轉(zhuǎn)速(飛機(jī)機(jī)翼擺動(dòng)過程中的最大轉(zhuǎn)速)為1 000 r/min，徑向載荷為1 000 N，不受傾覆力矩時(shí)，軸向載荷對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子最大接觸載荷的影響如圖7所示，由圖可知：1)隨軸向載荷增大，左列滾子最大接觸載荷減小，右列滾子最大接觸載荷增大，這是由于向右的軸向載荷增大會(huì)使左列滾子受載減小，右列滾子受載增大。2)當(dāng)軸向載荷與徑向載荷的比值達(dá)到6.35/10時(shí)，左列滾子最大接觸載荷突然下降，而右列滾子突然上升，這是由于此時(shí)左列滾子不受力，所有外部作用力均由右列滾子承受。

圖7 軸向載荷對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.7 Influence of axial load on maximum contact load of rollers

2.2.2 徑向載荷

在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，僅受徑向載荷時(shí)，徑向載荷對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子最大接觸載荷的影響如圖8所示，隨徑向載荷增大，滾子最大接觸載荷增大。

圖8 徑向載荷對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.8 Influence of radial load on maximum contact load of rollers

2.2.3 傾覆力矩

在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，徑向載荷為1 000 N，不受軸向載荷時(shí)，傾覆力矩對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子最大接觸載荷的影響如圖9所示，隨傾覆力矩增大，左右列滾子接觸載荷變化均在1 N之內(nèi)，這是由于內(nèi)圈為球面，當(dāng)受到傾覆力矩時(shí)，內(nèi)圈與滾子之間的接觸特性幾乎不發(fā)生變化。

圖9 傾覆力矩對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.9 Influence of overturning moment on maximum contact load of rollers

2.2.4 轉(zhuǎn)速

在軸承僅受1 000 N徑向載荷時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承最大接觸載荷的影響如圖10所示，隨轉(zhuǎn)速增大，滾子最大接觸載荷呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速主要影響雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子所受的離心力，在外載荷不變的條件下，轉(zhuǎn)速越大，滾子所受離心力越大，滾子背離軸承軸線向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越明顯，滾子最大接觸載荷增大。

圖10 轉(zhuǎn)速對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.10 Influence of speed on maximum contact load of rollers

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾子最大接觸載荷的影響

分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾子最大接觸載荷的影響時(shí)，軸承轉(zhuǎn)速取1 000 r/min,徑向載荷取1 000 N，不承受軸向載荷和傾覆力矩。

2.3.1 滾子數(shù)

在滾子長度為20 mm，徑向游隙為0時(shí)，滾子數(shù)對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子最大接觸載荷的影響如圖11所示，隨滾子數(shù)增多，滾子最大接觸載荷減小。這是由于在外載荷不變的條件下，軸承受載區(qū)域不變，受載區(qū)內(nèi)的滾子數(shù)增加，滾子接觸載荷減小。在滿足保持架強(qiáng)度要求的前提下，可適當(dāng)增加滾子數(shù)。

圖11 滾子數(shù)對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.11 Influence of number of rollers on maximum contact load of rollers

2.3.2 滾子長度

在滾子數(shù)為14，徑向游隙為0時(shí)，滾子長度對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子最大載荷的影響如圖12所示，隨滾子長度增加，滾子最大載荷減小。這是由于滾子越長，滾子與滾道的接觸區(qū)域越大，在相同外載荷下承受載荷越小。

圖12 滾子長度對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.12 Influence of length of rollers on maximum contact load of rollers

2.3.3 徑向游隙

在滾子長度為20 mm，滾子數(shù)為14時(shí)，徑向游隙對(duì)雙列調(diào)心凹面滾子軸承滾子最大接觸載荷的影響如圖13所示，隨徑向游隙增大，滾子最大接觸載荷呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是由于徑向游隙減小會(huì)導(dǎo)致受載滾子數(shù)增加，使?jié)L子最大接觸載荷減小，但當(dāng)徑向游隙為-0.001 mm時(shí)，所有滾子均承載，游隙繼續(xù)減小會(huì)使每個(gè)滾子的接觸載荷均增大。

圖13 徑向游隙對(duì)滾子最大接觸載荷的影響Fig.13 Influence of radial clearance on maximum contact load of rollers

3 結(jié)論

在文中設(shè)定的條件下，分析得到雙列調(diào)心凹面滾子軸承接觸載荷具有以下特性：

1)隨軸向載荷增大，左列受載滾子數(shù)減少，右列受載滾子數(shù)增加。隨徑向載荷增大，滾子最大接觸載荷增大。當(dāng)軸向載荷與徑向載荷的比值達(dá)到6.35/10時(shí)，左列滾子不受力，所有外部作用力均由右列滾子承受。隨傾覆力矩增大，左右列滾子最大接觸載荷幾乎不變。

2)隨轉(zhuǎn)速增大，滾子最大接觸載荷呈增加趨勢(shì)。

3)隨滾子數(shù)增多，滾子最大接觸載荷減小。隨滾子長度增加，滾子最大接觸載荷呈減小趨勢(shì)。

4)隨徑向游隙減小，受載滾子數(shù)增加，滾子最大接觸載荷減小，當(dāng)徑向游隙為-0.001 mm時(shí)，所有滾子均承載，徑向游隙繼續(xù)減小會(huì)使?jié)L子最大接觸載荷增大。