基于ADAMS的圓柱滾子軸承保持架柔性化建模及仿真分析*

□ 吉博文 □ 景敏卿 □ 劉 恒 □ 王風濤

西安交通大學 機械工程學院 西安 710049

航空發動機上使用的圓柱滾子軸承工況為高速輕載，其法向載荷的不均勻性導致了各個滾子的速度波動，造成滾子運動時與保持架發生劇烈碰撞，使軸承壽命縮減甚至報廢。國內的文獻在對剛性軸承進行分析時，變形僅采用了各部件間赫茲接觸，無法準確反映軸承運動過程中材料的變形及實際狀態。筆者先對保持架進行了柔性化處理并與軸承其它剛性部件耦合，再對不同徑向載荷下保持架的動態性能進行分析。

1 動力學模型的建立

本文研究的圓柱滾子軸承，外圈帶雙擋邊，內圈無擋邊，外圈引導，滾子與滾道為線性接觸，主要承受徑向載荷。為提高仿真速度，對軸承模型進行合理簡化，假設如下：

（1）外圈固定，自由度為0。

（2）內圈在徑向平面內繞Z軸恒速轉動。

（3）滾子和保持架在軸承徑向平面內運動，繞自身軸線轉動，自由度為3。

（4）軸承各零件形心與質心重合，已知軸承內部溫度。

軸承的幾何參數見表1，軸承模型材料類型為ADAMS標準庫中的steel,其密度為7 801.0 kg/m3，楊氏模量為207 GPa，泊松比為0.29。

雖然ADAMS內嵌有接觸算法來測量任意部位的接觸力，但是這些算法沒有考慮到潤滑效應的影響，因此本文通過用戶自定義子程序來模擬接觸力，包括法向力和摩擦力等，使用用戶自定義子程序還可以定義接觸力方向，更加接近于實際情況。利用Fortran編程得到滾子、內外圈、保持架三者之間的相互作用力子程序后，使用編譯器Fortran Command Prompt來生成.obj文件，導入到ADAMS Command中生成.dll文件，然后將編寫的用戶子程序添加到ADAMS/Solver的用戶庫文件中，連同該庫與ADAMS/Solver一同運行，最后得到圓柱滾子軸承動力學模型，如圖1所示。

表1 軸承幾何參數

▲圖1 圓柱滾子軸承動力學仿真模型

▲圖2 柔性化保持架

2 保持架柔性化處理

柔性體是利用有限元技術，通過計算構件的自然頻率和對應的模態，按照模態理論，將構件產生的變形看作是由構件模態通過線性計算得到的位移形變。本文采用ADAMS/AutoFlex模塊創建MNF文件對保持架進行柔性化處理。

2.1 柔性化處理過程

（1）加載模塊：ADAMS/AutoFlex是一個單獨的插件，使用前需要先加載。選中“Tool”菜單下的“Plugin Manager”命令后，在彈出的菜單中選擇“ADAMS/AutoFlex”，即可加載模塊。

（2）生成柔性體：在加載模塊中提供了3種方法創建柔性體，本文采用構件的幾何外形來生成柔性體，將幾何體的外形所占用的空間進行有限元離散化，可以直接由幾何體外形來生成柔性體構件。主要步驟為：單擊菜單欄的 “Build” 中的 “Flexible Bodies” 中的“ADAMS/AutoFlex”命令，在“FlexBody Type”選項組中選擇“Geometry”，表示用幾何外形來生成柔性體，然后選擇生成單元類型和單元尺寸、材料等。在“Attachments”選項頁中輸入柔性體的關聯點，將剛性保持架離散后，在工作目錄下就會生成相應的MNF文件，再將其導入ADAMS中，即可產生保持架柔性體，如圖2所示。

（3）柔性體導入模型：在將保持架進行柔性化處理之后，需要用柔性體替換剛性保持架。本文中創建的柔性保持架是被加載物體，不能直接將力和約束加載在柔性化保持架上。為了使柔性體發揮相應作用，需要將柔性體保持架上附加一個無質量的連接物，即啞物體。在材料屬性中對剛性保持架進行設置，質量和轉動慣量均設為零，即可成為無質量的啞物體，然后將柔性保持架用固定副與之連接，這樣便將柔性保持架導入到了模型中。

2.2 保持架模態分析

構件的模態是構件自身的一個物理屬性。對構件變形的計算可以在物理空間中通過直接積分計算得到，也可以在模態空間中通過模態的線性疊加得到。保持架剛體的6個自由度由前六階模態表示，不在系統考慮范圍內。本文給出了第七到第十階保持架的頻率所對應的振型位移，如圖3所示。

圖3中各階對應的頻率分別為1.98×104Hz、2.06×104Hz、2.11×104Hz、2.23×104Hz。 （a）圖反映了沿 X 軸方向的壓縮變形，（b）圖反映了沿X軸方向的拉伸變形，（c）圖反映了沿Y軸方向的拉伸變形，（d）圖反映了在XY平面內的拉伸與壓縮變形。

不同階模態對柔性保持架的影響是不同的，隨著階數的升高，保持架的頻率增大，但對模態的影響是不固定的。通過對不同模態下的模型進行模擬，可以檢查該模態對柔性體影響的大小，如果影響較小，可以在總體仿真時取消該模態，這樣可以提高圓柱滾子軸承模型的仿真速度。

▲圖3 保持架模態振形圖

▲圖4 不同徑向載荷下剛、柔性保持架之質心軌跡比較

3 剛、柔性保持架動態性能分析

本文采用變量控制法對不同徑向載荷下的剛、柔保持架的動態性能進行了仿真對比分析。對軸承進行ADAMS動力學仿真時，采用的是交互式控制仿真,計算時間為0.05 s,計算步數1 000步。

取轉速為10 000 r/min，徑向游隙為0，軸向游隙為0，對比3 000 N和5 000 N徑向載荷下的剛、柔保持架質心軌跡，如圖4所示。

對比圖 4中（a）、（b）兩圖發現，對保持架進行柔性化處理后得到的質心軌跡比剛性保持架質心軌跡稍顯密集一些，形狀更接近橢圓形。對比（c）、（d）兩圖可以得出相同的結論。

對比（a）、（c）兩圖，可以看到，隨著徑向載荷的加大，保持架的質心位移增大，保持架和滾子之間的接觸力矩增大，使滾子與保持架之間的切向拖動力增大，滾子和保持架的公轉轉速提高，質心軌跡趨于集中收攏，逐漸出現橢圓形的軌跡。對比（b）、（d）兩圖可以得出相同的結論。

4 結論

應用ADAMS/AutoFlex對圓柱滾子軸承的保持架進行了柔性化處理，通過對比不同徑向載荷下的剛性保持架和柔性保持架的質心軌跡，說明柔性保持架的特性使滾子與保持架發生碰撞時產生彈性變形，更接近于實際情況，為滾動軸承的設計提供了必要的理論基礎。

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［2］ 張風琴，杜輝，鄧四二，等.基于ADAMS的圓柱滾子軸承仿真分析［J］.河南科技大學學報，2009,30（2）：15-18.

［3］ 李晌，蔣新力.高速圓柱滾子軸承柔性保持架的動力學分析［J］.軸承,2010（7）:1-5.

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