滚子类轴承接触精确建模及其瞬态力学响应分析方法

doi:10.3901/JME.2024.21.112

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (21): 112-121.doi: 10.3901/JME.2024.21.112

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滚子类轴承接触精确建模及其瞬态力学响应分析方法

刘紫檀, 马帅军, 闫柯, 方斌, 洪军

西安交通大学现代设计与转子轴承系统教育部重点实验室西安 710049

收稿日期:2023-11-06 修回日期:2024-05-01 出版日期:2024-11-05 发布日期:2024-12-24
通讯作者: 闫柯，男，1984年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向滚动轴承设计分析与测试技术。E-mail：yanke@mail.xjtu.edu.cn
作者简介:刘紫檀,男,1998年出生。主要研究方向为滚子轴承动力学分析。E-mail:liuzitan@stu.xjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金重点资助项目(92160203)。

Accurate Contact Modeling of Roller Bearings and its Transient Mechanical Response Analysis Method

LIU Zitan, MA Shuaijun, YAN Ke, FANG Bin, HONG Jun

Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049

Received:2023-11-06 Revised:2024-05-01 Online:2024-11-05 Published:2024-12-24

摘要/Abstract

摘要： 滚子类轴承因其承载能力强、结构紧凑等特点，在旋转系统中有着广泛的应用。然而，滚子轴承组件间的复合接触形式与多变的运动状态，致使动力学建模困难，并致目前通用多体动力学软件针对滚子类轴承复合接触的求解精度受限。对此，提出了一种基于空间坐标系的滚子轴承五自由度动力学建模方法，以几何接触最为复杂的圆锥滚子轴承为对象，通过解析轴承组件间的瞬时几何位置关系，建立轴承组件动力学微分方程，采用WSTIFF I3求解算法保证了轴承组件间复合接触过程的精确解析。基于二滚子无重力模型以及无滑动转速条件下解析验证，仿真结果与理论值误差小于1%。所提建模方法及其复杂工况时变接触力仿真能力为滚子类轴承的接触应力及寿命预测提供了新的分析途径。

关键词: 圆锥滚子轴承, 建模方法, 五自由度滚子, 时变曲线, 二次开发

Abstract: Roller bearings are widely used in rotating systems because of their great load-bearing capacity and compact structure. However, the composite contact form and variable motion state between roller bearing components make the dynamics modeling difficult, and the accuracy of the current general multi-body dynamics software for solving the composite contact of roller bearings is limited by it. In this regard, a five-degree-of-freedom dynamics modeling method for roller bearings based on spatial coordinate system is proposed. Tapered roller bearings, which have the most complex geometric contact characteristics, are chosen for the study. By resolving the instantaneous geometric position relationship between the bearing components, the differential equations of the bearing component dynamics are established, and the WSTIFF I3 solution algorithm is used to ensure the accurate resolution of the composite contact process between the bearing components. Based on the two-roller gravity-free model and the analytical verification under the no-slip speed condition, the simulation results are less than 1% error from the theoretical value. The modeling method and its ability to simulate time-varying contact forces in complex operating conditions provide a new analytical approach to solving contact stresses and life prediction of roller-type bearings.

Key words: tapered roller bearing, modeling method, five-freedom roller, time-varying curve, secondary development

中图分类号:

TG156

刘紫檀, 马帅军, 闫柯, 方斌, 洪军. 滚子类轴承接触精确建模及其瞬态力学响应分析方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 112-121.

LIU Zitan, MA Shuaijun, YAN Ke, FANG Bin, HONG Jun. Accurate Contact Modeling of Roller Bearings and its Transient Mechanical Response Analysis Method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(21): 112-121.

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参考文献

[1] YANG Lihua，XU Tengfei，XU Haoliang，et al. Mechanical behavior of double-row tapered roller bearing under combined external loads and angular misalignment[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2018，142-143：561-574.
[2] ZHANG Chi，GU Le，MAO Yuze，et al. Modeling the frictional torque of a dry-lubricated tapered roller bearing considering the roller skewing[J]. Friction，2019，7(6)：551-563.
[3] KANG Wei，ZHU Yongsheng，YAN Ke，et al. Modeling and fault size estimation for non-penetrating damage in the outer raceway of tapered roller bearing[J]. Machines，2022，10(7)：516.
[4] 刘静，吴昊，邵毅敏，等．考虑内圈挡边表面波纹度的圆锥滚子轴承振动特征研究[J]. 机械工程学报，2018，54(8)：26-34. LIU Jing，WU Hao，SHAO Yimin，et al. Investigation for vibrations of tapered roller bearing considering the surface waviness on the rib of the inner race[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(8)：26-34.
[5] 刘永强，王宝森，杨绍普. 含外圈故障的高速列车轴承转子系统非线性动力学行为分析[J]. 机械工程学报，2018，54(8)：17-25. LIU Yongqiang，WANG Baosen，YANG Shaopu. Nonlinear dynamic behaviors analysis of the bearing rotor system with outer ring faults in the high-speed train[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(8)：17-25.
[6] LIU Yuwei，FAN Xingyu，WANG Jia，et al. An investigation for the friction torque of a tapered roller bearing considering the geometric homogeneity of rollers[J]. Lubricants，2022，10(7)：154.
[7] WANG Mingkai，YAN Ke，ZHANG Xiaohong，et al. A comprehensive study on dynamic performance of ball bearing considering bearing deformations and ball-inner raceway separation[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2023，185：109826.
[8] 周献文. 双列圆锥滚子轴承力学特性分析与测试试验研究[D]. 大连：大连理工大学，2021. ZHOU Xianwen. Analysis and test study on mechanical properties of double row tapered roller bearings[D]. Dalian：Dalian University of Technology，2021.
[9] 田帅. 基于Adams的风力发电机主轴承动力学行为建模与仿真方法研究[D]. 包头：内蒙古科技大学，2021. TIAN Shuai. Research on dynamic behavior modeling and simulation method of main bearing of wind Turbine based on Adams[D]. Baotou：Inner Mongolia University of Science and Technology，2021.
[10] 马帅军，闫柯，张晓红，等. 滚动轴承运动-接触精确建模与二次开发[J]. 西安交通大学学报，2021，55(8)：33-41. MA Shuaijun，YAN Ke，ZHANG Xiaohong，et al. Accurate motion-contact modeling and secondary development of dynamic bearings[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University，2021，55(8)：33-41.
[11] 李琦. 基于ADAMS的角接触球轴承的动力学分析与结构优化[D]. 广州：广东工业大学，2016. LI Qi. Dynamic analysis and structure optimization of Angular contact ball bearing based on ADAMS[D]. Guangzhou：Guangdong University of Technology，2016.
[12] 查浩，任尊松，徐宁. 高速动车组轴箱轴承振动特性[J]. 机械工程学报，2018，54(16)：144-151. ZHA Hao，REN Zunsong，XU Ning. Vibration performance of high-speed vehicles with axle box bearing[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(16)：144-151.
[13] DENG Sier，GU Jinfang，CUI Yongcun，et al. Dynamic Simulation analysis of a tapered roller Bearing[D]. Industrial Lubrication and Tribology，2018，70(1)：191-200.
[14] SIMON K，RYAN H M，MOURSITSEN O Ø. A new quasi-static multi-degree of freedom tapered roller bearing model to accurately consider non-Hertzian contact pressures in time-domain simulations[C]// Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part K：Journal of Multi-body Dynamics，2014，228(2)：111-125.
[15] HARRIS T A，KOTZALAS M N. Advanced concepts of bearing technology：Rolling bearing analysis[M]. Carabas：CRC Press，2006.
[16] POPLAWSKI J V. Slip and cage forces in a high-speed roller bearing[J]. Journal of Tribology，1972，94(2)：143-150.
[17] 邓四二，贾群义，薛金学. 滚动轴承设计原理[M]. 北京：中国标准出版社，2014. DENG Sier，JIA Qunyi，XUE Jinxue. Rolling bearing design principle[M]. Beijing：China Standards Press，2014.
[18] 罗继伟，罗天宇. 滚动轴承分析计算与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2009. LUO Jiwei，LUO Tianyu. Analysis calculation and application of rolling bearing[M]. Beijing：China Machine Press，2019.
[19] 孔令贤. 基于Adams二次开发的复合齿轮传动系统动态接触仿真分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019. KONG Lingxian. Dynamic contact simulation analysis of compound gear transmission system based on Adams secondary development[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2019.
[20] BRENAN K E，CAMPNELL S L，PETZOLD L R. Numerical solution of initial-value problems in differential- algebraic equations[M]. Philadelphia：Society for Industrial and Applied Mathematics，1995.
[21] 赫雄. ADAMS动力学仿真算法及参数设置分析[J]. 传动技术，2005(3)：27-30. HE Xiong. ADAMS dynamic simulation algorithm and parameter setting analysis[J]. Transmission Technology，2005(3)：27-30.
[22] 李乃成，梅立泉. 数值分析[M]. 北京：科学出版社，2011. LI Naicheng，MEI Liquan. Numerical analysis[M]. Beijing：Science Press，2011.
[23] GEAR C W. The simultaneous numerical solution of differential-algebraic equations[J]. IEEE Transactions on Circuit Theory，1971，18(1)：89-95.
[24] VAN BOKHOVEN W M G.Linear implicit differentiation formulas of variable step and order[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems，1975，22(2)：109-115.

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[1]	杜冰, 万宇凡, 陈星池, 王绪辰. 基于ANN的不同材料统一起皱判定线的高效建立方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 106-119.
[2]	辛杨桂, 高世一, 赵运强, 李苏, 徐望辉, 余陈. 机器人搅拌摩擦焊接力-位混合控制的应用研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(8): 91-98.
[3]	陈明, 赵振宙, 孟令玉, 冯俊鑫, 江瑞芳, 玛尔瓦提·黑扎提. 涡流发生器参数化模型风力机叶段表面应用方法研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(8): 258-265.
[4]	刘茜, 程靖, 梁建勋. 混合碰撞建模方法及其试验验证[J]. 机械工程学报, 2022, 58(1): 116-123.
[5]	尹婷婷, 孙小波, 闫柯, 洪军, 朱永生, 李媛媛. 基于随机种子的多孔含油保持架建模方法研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(15): 138-145.
[6]	陈妮, 闫博, 袁媛, 李亮, 何宁. 微铣刀参数化设计系统研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(23): 185-192.
[7]	董泽园, 李杰, 刘辛军, 梅斌, 陈俊宇. 数控机床两种几何误差建模方法有效性试验研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(5): 137-147.
[8]	刘静, 吴昊, 邵毅敏, 师志峰. 考虑内圈挡边表面波纹度的圆锥滚子轴承振动特征研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(8): 26-34.
[9]	李庆, LIANG STEVEN Y. 非凸罚正则化稀疏低秩矩阵的大型减速机圆锥滚子轴承微弱故障诊断[J]. 机械工程学报, 2018, 54(23): 102-111.
[10]	戴瑜, 张健, 张滔, 刘少军. 基于多体动力学模型集成的深海采矿系统联动仿真^*[J]. 机械工程学报, 2017, 53(4): 155-160.
[11]	杨继斌, 宋鹏云, 张继业, 王国梁, 张晗. 混合动力现代有轨电车仿真系统研究[J]. 机械工程学报, 2017, 53(18): 161-168.
[12]	张滔, 戴瑜, 刘少军, 陈君, 黄中华. 深海履带式集矿机多体动力学建模与行走性能仿真分析[J]. 机械工程学报, 2015, 51(6): 173-180.
[13]	江平宇, 孙培禄, 丁凯, 王闯. 一种基于射频识别技术的过程跟踪形式化图式推演建模方法及其生产应用研究[J]. 机械工程学报, 2015, 51(20): 9-17.
[14]	郑国君;门永新;胡平;赵福全. 基于知识的CAE后处理流程化平台关键技术[J]. , 2011, 47(17): 112-118.
[15]	王伟;魏洪兴;陈殿生;王田苗. 基于经验模分解和最小二乘支持矢量机的装载机载质量动态测量混合建模方法[J]. , 2008, 44(2): 87-93.