基于ADAMS的軸承虛擬可靠性試驗方法

李 昌 韓 興

遼寧科技大學,鞍山,114051

基于ADAMS的軸承虛擬可靠性試驗方法

李 昌 韓 興

遼寧科技大學,鞍山,114051

提出了一種軸承的虛擬可靠性試驗方法。建立軸承三維虛擬試驗樣機,利用ADAMS參數化技術以及編寫偽隨機數子程序等方法對試驗樣機進行Monte Carlo參數化,利用自定義函數模擬軸承各類參數的隨機誤差,對參數化的軸承樣機進行多次虛擬試驗,獲取試驗數據。利用VC++編程自動讀取試驗結果文件并求取軸承內圈跳動的可靠度,分析了各類隨機誤差對軸承動態特性的影響。開發了通用的軸承虛擬可靠性試驗程序。

可靠性;深溝球軸承;ADAMS;Monte Carlo;隨機誤差

0 引言

傳統的工程結構分析通常采用確定性的力學模型進行,將模型參數作為確定量處理,其本質是用均值參數系統代替實際結構系統,這就忽略了系統內部的變異性。研究表明,只有系統的變異性較小或各部分變異比較均勻時,上述分析才能給出較為符合真實情況的結果;否則,傳統的工程結構系統識別必然是一種有偏差的估計。實際工程結構的隨機性表現在以下幾個方面[1]:①結構元件材料特性的隨機性,制造環境、材料等因素的影響使材料的屈服應力、彈性模量、泊松比、密度等具有隨機性;②結構元件幾何尺寸的隨機性,制造和安裝誤差使結構幾何尺寸具有隨機性;③結構邊界條件的隨機性;④結構物理性質的隨機性,如系統阻尼特性、摩擦因數等。

各類隨機因素的影響使系統存在一定的隨機特性,即使同一系統,隨著使用地點、環境及使用時間的變化,其動態響應也是一個多元的隨機變量。因此,考慮系統的隨機因素,對系統開展虛擬可靠性試驗具有十分重要的意義。

現今,滾動軸承已成為高速回轉運動的重要機械支承件和軍事、民用工業的重要基礎件[2]。實踐表明,軸承不可避免地存在制造和安裝誤差,這些隨機誤差將對軸承的振動、噪聲產生重要影響。深溝球軸承的虛擬可靠性試驗方法能有效分析各類隨機誤差對軸承動態特性的影響,為軸承減振降噪提供可靠的理論依據。

1 虛擬可靠性試驗的技術路線

機械多體系統由于制造和裝配誤差,而存在隨機性。設計中,設計者通常采用傳統解析法和常規試驗對系統進行動態特性分析。傳統解析法計算相當復雜,特別是對于復雜多體隨機系統的動力分析問題,常常難以建立解析數學模型。而且,模型計算存在誤差,勢必影響運算結果。常規試驗借助真實物理樣機對系統進行分析,要實現系統隨機特性分析需建造大量的物理樣機,必將大量增加試驗的成本并浪費試驗時間。

虛擬可靠性試驗方法綜合運用機構運動學、運動誤差分析理論、虛擬樣機技術,以ADAMS為平臺,實現對復雜隨機系統動態特性的分析。技術路線如圖1所示。試驗中,利用C語言編寫產生偽隨機數的用戶自定義函數,模擬軸承系統的各類隨機誤差,建立參數化虛擬試驗樣機;經過多次動力學仿真試驗,提取試驗數據并以文本形式保存試驗結果,利用VC++編程自動讀取文本試驗數據;最終將試驗過程模塊化,使虛擬試驗自動完成,不受時間和次數的限制。

2 軸承參數化虛擬樣機的創建與仿真

圖1 虛擬可靠性試驗流程圖

應用ADAM S/V iew圖形庫對基本幾何實體進行布爾運算,可獲得復雜幾何形體[3]。本文以6408軸承為研究對象。6408軸承具體尺寸和公差如表1所示,根據軸承具體尺寸建立虛擬試驗樣機,如圖2所示。利用ADAMS/View提供的參數化方法可實現軸承虛擬樣機參數化操作,因考慮隨機性誤差的影響,編制產生服從正態分布的偽隨機數用戶自定義函數ZMYRAND(a)。修改與構件尺寸相關聯的設計變量值,如:Length=A+ZMYRAND(a),其中Length為設計變量,A為符合正態分布的構件尺寸均值,a為ZMYRAND(?)函數的主參數,用來標識不同的偽隨機數,實現對軸承樣機的 M onte Carlo參數化。

表1 6408軸承的尺寸和公差 mm

圖2 6408軸承的幾何模型

軸承滾珠和內外圈材質為軸承鋼,密度為7.801×10-6kg/mm3,彈性模量為 207GPa,泊松比為0.29;保持架材質為黃銅,密度為8.545×10-6kg/mm3,彈性模量為 106GPa,泊松比為0.324。為模擬軸承工作狀態,將其外圈固定(與軸承座配合約束),內圈以一定角速度旋轉,各滾珠與內外圈滾道之間添加接觸碰撞約束,滾珠與保持架之間也添加接觸碰撞約束,共定義30對接觸。內圈在徑向力F r(F r=50N)作用下,以n b=600r/min的轉速旋轉。對6408軸承進行0.05s 100步的仿真計算,仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 0.05s內軸承內圈位移曲線

圖4 0.05s內內圈徑向跳動

圖3所示為計算得到的軸承內圈位移,圖4所示為軸承內圈徑向跳動位移、速度和加速度曲線。內圈的徑向跳動反映了軸承的振動狀態,監測內圈徑向跳動變化規律可有效了解軸承系統的振動特性,從而為研究軸承振動噪聲和各種隨機誤差之間的影響關系提供有效途徑。

3 軸承虛擬可靠性試驗系統的開發

以VC++6.0為開發平臺,結合ADMAS二次開發功能,根據前面的技術路線以及相關技術要點,開發了通用的軸承虛擬可靠性試驗系統。利用該系統可實現深溝球軸承的虛擬可靠性試驗,以定量的概率反映軸承各類隨機誤差對其振動特性的影響。系統分前處理模塊、可靠性試驗模塊和后處理模塊3個主要模塊,如圖5所示。

圖5 軸承虛擬可靠性試驗系統

試驗中,將根據實際仿真的次數,統計仿真結果文件,按照用戶所指定的允許極限誤差數值,計算任意時刻試驗樣機某方面特性的可靠度。仿真結果以文本形式保存,如果仿真100次,則會產生100個仿真結果文件。利用V isual C++6.0提供的API函數將仿真結果自動從文本文件中讀取出來,根據誤差的表達式[4-7]

計算誤差值。得出輸出運動(位移、速度和加速度)的分布參數:

式中,n為仿真次數;Δyi為第i次輸出運動誤差;y*為理想值;yi為第i次仿真測量值;μ為仿真結果均值;σ2為仿真結果方差。

再結合正態分布近似算法,編寫可靠度的計算程序,實現對仿真結果數據的自動處理,可靠度計算窗口如圖6所示。

4 算例分析

圖6 可靠度計算對話框

利用開發的軸承虛擬可靠性試驗系統,分別對6408軸承進行 10次、100次、1000次試驗,軸承轉速600r/min,徑向力50N。位移極限誤差特征值(μ0,σ0)=(0.15,0.05),允許速度極限誤差特征值(μv0,σv0)=(0.45,0.05),允許加速度極限誤差特征值(μa0,σa0)=(2,0.05),求取軸承內圈徑向跳動在規定誤差范圍內的可靠度。求取可靠度之前,須對試驗所獲取的誤差大樣本數據的分布規律進行擬合檢驗,確定其分布類型。對1000次試驗所得到的t=0.0001s的位移誤差數據進行擬合檢驗,得到概率分布圖和頻率直方圖,如圖7所示。

圖7 1000次虛擬可靠性試驗數據擬合

經χ2檢驗,內圈徑向跳動位移誤差符合正態分布,據此可求得1000次試驗中 t=0.0001s的可靠度,同理對軸承任意時刻可靠度進行計算。通過對軸承進行多次試驗,得出t=0.0001s時的可靠度如表2所示。

表2 軸承虛擬可靠性試驗結果

5 結論

(1)提出了一種虛擬可靠性試驗方法,以定量概率反映了軸承各個尺寸參數、間隙等隨機誤差對軸承振動的影響程度。

(2)虛擬可靠性試驗方法能代替真實試驗,避免浪費大量的人力、物力、財力。

(3)為軸承動態優化設計提供可靠的理論依據。

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Virtual Reliability Test Method for Bearing Based on ADAMS

LiChang Han Xing
Liaoning University of Science and Technology,Anshan,Liaoning,114051

Three-dimensional virtual test p rototype o f the bearingswas set up in ADAMS firstly,Monte Carlo parameterization of the prototype was carried out in pseudo-random numbers subroutine.A fter timesof virtual test on the parameterize prototype,analogizing different bearing parameter's random errorsw ith self-defining function,experimental datawere got.Introducing VC++program to read the data file autom atically to compute the run-out reliability levelof the bearing's inner race,it p resents amethod of virtual reliability test for bearing,which can analyze the effects of different random errorson bearing dynamic behavior effectively.Lastly,it developed an universal bearing virtual reliability test program.

reliability;rolling bearing;ADAMS;Monte Carlo;random error

TH 122

1004—132X(2011)05—0509—04

2010—05—05

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2006A A04Z408);遼寧省自然科學基金資助項目(20062017)

(編輯 袁興玲)

李 昌,男,1980年生。遼寧科技大學機械工程與自動化學院講師、博士。主要研究方向為多體隨機系統可靠性分析。韓 興,女,1982年生。遼寧科技大學機械工程與自動化學院講師。