基于ADAMS的圆柱滚子轴承保持架柔性化建模及仿真分析*

□ 吉博文 □ 景敏卿 □ 刘 恒 □ 王风涛

西安交通大学 机械工程学院 西安 710049

航空发动机上使用的圆柱滚子轴承工况为高速轻载，其法向载荷的不均匀性导致了各个滚子的速度波动，造成滚子运动时与保持架发生剧烈碰撞，使轴承寿命缩减甚至报废。国内的文献在对刚性轴承进行分析时，变形仅采用了各部件间赫兹接触，无法准确反映轴承运动过程中材料的变形及实际状态。笔者先对保持架进行了柔性化处理并与轴承其它刚性部件耦合，再对不同径向载荷下保持架的动态性能进行分析。

1 动力学模型的建立

本文研究的圆柱滚子轴承，外圈带双挡边，内圈无挡边，外圈引导，滚子与滚道为线性接触，主要承受径向载荷。为提高仿真速度，对轴承模型进行合理简化，假设如下：

（1）外圈固定，自由度为0。

（2）内圈在径向平面内绕Z轴恒速转动。

（3）滚子和保持架在轴承径向平面内运动，绕自身轴线转动，自由度为3。

（4）轴承各零件形心与质心重合，已知轴承内部温度。

轴承的几何参数见表1，轴承模型材料类型为ADAMS标准库中的steel,其密度为7 801.0 kg/m3，杨氏模量为207 GPa，泊松比为0.29。

虽然ADAMS内嵌有接触算法来测量任意部位的接触力，但是这些算法没有考虑到润滑效应的影响，因此本文通过用户自定义子程序来模拟接触力，包括法向力和摩擦力等，使用用户自定义子程序还可以定义接触力方向，更加接近于实际情况。利用Fortran编程得到滚子、内外圈、保持架三者之间的相互作用力子程序后，使用编译器Fortran Command Prompt来生成.obj文件，导入到ADAMS Command中生成.dll文件，然后将编写的用户子程序添加到ADAMS/Solver的用户库文件中，连同该库与ADAMS/Solver一同运行，最后得到圆柱滚子轴承动力学模型，如图1所示。

表1 轴承几何参数

▲图1 圆柱滚子轴承动力学仿真模型

▲图2 柔性化保持架

2 保持架柔性化处理

柔性体是利用有限元技术，通过计算构件的自然频率和对应的模态，按照模态理论，将构件产生的变形看作是由构件模态通过线性计算得到的位移形变。本文采用ADAMS/AutoFlex模块创建MNF文件对保持架进行柔性化处理。

2.1 柔性化处理过程

（1）加载模块：ADAMS/AutoFlex是一个单独的插件，使用前需要先加载。选中“Tool”菜单下的“Plugin Manager”命令后，在弹出的菜单中选择“ADAMS/AutoFlex”，即可加载模块。

（2）生成柔性体：在加载模块中提供了3种方法创建柔性体，本文采用构件的几何外形来生成柔性体，将几何体的外形所占用的空间进行有限元离散化，可以直接由几何体外形来生成柔性体构件。主要步骤为：单击菜单栏的 “Build” 中的 “Flexible Bodies” 中的“ADAMS/AutoFlex”命令，在“FlexBody Type”选项组中选择“Geometry”，表示用几何外形来生成柔性体，然后选择生成单元类型和单元尺寸、材料等。在“Attachments”选项页中输入柔性体的关联点，将刚性保持架离散后，在工作目录下就会生成相应的MNF文件，再将其导入ADAMS中，即可产生保持架柔性体，如图2所示。

（3）柔性体导入模型：在将保持架进行柔性化处理之后，需要用柔性体替换刚性保持架。本文中创建的柔性保持架是被加载物体，不能直接将力和约束加载在柔性化保持架上。为了使柔性体发挥相应作用，需要将柔性体保持架上附加一个无质量的连接物，即哑物体。在材料属性中对刚性保持架进行设置，质量和转动惯量均设为零，即可成为无质量的哑物体，然后将柔性保持架用固定副与之连接，这样便将柔性保持架导入到了模型中。

2.2 保持架模态分析

构件的模态是构件自身的一个物理属性。对构件变形的计算可以在物理空间中通过直接积分计算得到，也可以在模态空间中通过模态的线性叠加得到。保持架刚体的6个自由度由前六阶模态表示，不在系统考虑范围内。本文给出了第七到第十阶保持架的频率所对应的振型位移，如图3所示。

图3中各阶对应的频率分别为1.98×104Hz、2.06×104Hz、2.11×104Hz、2.23×104Hz。 （a）图反映了沿 X 轴方向的压缩变形，（b）图反映了沿X轴方向的拉伸变形，（c）图反映了沿Y轴方向的拉伸变形，（d）图反映了在XY平面内的拉伸与压缩变形。

不同阶模态对柔性保持架的影响是不同的，随着阶数的升高，保持架的频率增大，但对模态的影响是不固定的。通过对不同模态下的模型进行模拟，可以检查该模态对柔性体影响的大小，如果影响较小，可以在总体仿真时取消该模态，这样可以提高圆柱滚子轴承模型的仿真速度。

▲图3 保持架模态振形图

▲图4 不同径向载荷下刚、柔性保持架之质心轨迹比较

3 刚、柔性保持架动态性能分析

本文采用变量控制法对不同径向载荷下的刚、柔保持架的动态性能进行了仿真对比分析。对轴承进行ADAMS动力学仿真时，采用的是交互式控制仿真,计算时间为0.05 s,计算步数1 000步。

取转速为10 000 r/min，径向游隙为0，轴向游隙为0，对比3 000 N和5 000 N径向载荷下的刚、柔保持架质心轨迹，如图4所示。

对比图 4中（a）、（b）两图发现，对保持架进行柔性化处理后得到的质心轨迹比刚性保持架质心轨迹稍显密集一些，形状更接近椭圆形。对比（c）、（d）两图可以得出相同的结论。

对比（a）、（c）两图，可以看到，随着径向载荷的加大，保持架的质心位移增大，保持架和滚子之间的接触力矩增大，使滚子与保持架之间的切向拖动力增大，滚子和保持架的公转转速提高，质心轨迹趋于集中收拢，逐渐出现椭圆形的轨迹。对比（b）、（d）两图可以得出相同的结论。

4 结论

应用ADAMS/AutoFlex对圆柱滚子轴承的保持架进行了柔性化处理，通过对比不同径向载荷下的刚性保持架和柔性保持架的质心轨迹，说明柔性保持架的特性使滚子与保持架发生碰撞时产生弹性变形，更接近于实际情况，为滚动轴承的设计提供了必要的理论基础。

［1］ 杨咸启，刘文秀，李晓玲.高速滚子轴承保持架动力学分析［J］.轴承,2002（7）:1-5.

［2］ 张风琴，杜辉，邓四二，等.基于ADAMS的圆柱滚子轴承仿真分析［J］.河南科技大学学报，2009,30（2）：15-18.

［3］ 李晌，蒋新力.高速圆柱滚子轴承柔性保持架的动力学分析［J］.轴承,2010（7）:1-5.

［4］ 陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程［M］.北京:清华大学出版社,2005.