圓柱滾子軸承合套參數對軸承振動特性影響分析

朱運

摘 要：以滾動軸承動力學理論為基礎，組成了圓柱滾子軸承動力學微分方程組，并采用預估-校正GSTIFF變步長積分計算方法來對該方程組進行計算，主要分析圓柱滾子軸承合套參數在滿足CN組條件的情況下，軸承滾道直徑和滾子直徑對軸承振動特性的影響。結果表明：隨著內滾道直徑、滾子直徑的增加，軸承振動值和各倍頻的幅值均呈先增大后減小的趨勢；隨著外滾道直徑的增加，軸承振動值和各倍頻的幅值均呈增大趨勢；滾子直徑直接影響著軸承的徑向振動幅度，是影響最大的一部分，其次才是外滾道直徑以及內滾道直徑。

關鍵詞：圓柱滾子軸承；動力學；合套參數；振動特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.014

0 引言

現如今，很多航空發動機中的主軸系統中，一般都是采用滾動軸承來對主軸轉子結構進行支撐，圓柱滾子軸承憑借著自身獨有的優勢與特點，在航天發動機制造中得到了非常廣泛的應用。不過圓柱滾子軸承在應用過程中，會出現一定程度的振動，而這一現象的出現，會給整個主軸系統帶來了極大的影響。

1 圓柱滾子軸承動力學坐標

圓珠滾子軸承的保持架是通過外圈來進行引導的。如果軸承工作面有著理想的幾何形狀，那么其形心以及質心會出現重合。按照該軸承的結構形式，可以建立以下幾種坐標系：

（1）軸承慣性坐標系{O；x，y，z}，在該坐標系中，x軸與軸承的轉軸是重合的，y與z的面與軸承中心徑向平面是平行的，所以，其他坐標系可以根據該坐標系來進行確定。

（2）滾子質心坐標系{Or；xr，yr，zr}，該坐標系中的原點Or是與滾子幾何中心相重合的，yr軸與軸承的徑向方向符合，zr軸與軸承的周向方向符合，這一坐標系是隨著滾子的轉動而移動的。

（3）保持架質心坐標系{Oc；xc，yc，zc}，該坐標系中的Oc與保持架幾何中心重合，且會隨著保持架的轉動而轉動。

（4）內圈質心坐標系{Oi；xi，yi，zi}，這一坐標系是通過慣性坐標系的平移得出的，該坐標系中Oi與內圈幾何中心相重合，會隨內圈轉動。

（5）保持架兜孔中心坐標系{Op；xp，yp，zp}，此坐標系的Op與保持架兜孔的中心點是重合的，每一個兜孔中都有著相應的坐標系。

2 圓柱滾子軸承振動特性分析

對NU2307ME型圓柱滾子軸承的運行狀態進行研究與分析，該軸承所選擇的滾子以及套圈材料是GCr15，選擇的保持架材料是ZCuZn40。軸承合套之后，徑向游隙如果在CN組之內，那么其游隙則為25～50μm。如果軸承合套后游隙沒有在CN組內的話，那么數據則無效，反之數據有效。采用預估-校正GSTIFF變步長積分計算方法來進行動力學微分方程組的計算與分析。

2.1 滾道直徑和滾子直徑對軸承振動特性的影響

2.1.1 內滾道直徑對軸承振動特性的影響

滾子直徑設定為11.998mm，外滾道直徑設定為70.220mm，內滾道直徑在46.186～46.190mm之間選擇，圓柱滾子軸承合套完成后，徑向游隙處于CN組之內。通過對內滾道直徑變化的分析可以得知，內滾道直徑越短，圓柱滾子軸承的振動值就越大，內滾道直徑為46.190mm時，軸承整體的振動值是最小的，所以，這時候可以實現軸承振動的降低。

2.1.2 外滾道直徑對軸承振動特性的影響

滾子直徑設定為11.998mm，內滾道直徑設定為46.188mm，外滾道直徑則在70.216～70.224mm之間選擇，圓柱滾子軸承合套完成后，徑向游隙處于CN組之內。通過對外滾道直徑變化的分析可以得知，隨著外滾道直徑的不斷增加，圓柱滾子軸承的振動值以及振動頻率會越來越高，外滾道直徑為70.216mm的時候，振動值以及振動頻率是最小的，這時候可以實現軸承振動的降低。

2.1.3 滾子直徑對軸承振動特性的影響

外滾道直徑設定為70.22mm，內滾道直徑設定為46.188mm，滾子直徑則在11.990～12.005mm之間選擇，圓柱滾子軸承合套完成后，除滾子直徑之外，其他徑向游隙都處于CN組之內，通過對滾子直徑變化的分析可以得知，隨著滾子內徑的增加，圓柱滾子軸承的振動值以及振動頻率會隨之降低，當滾子直徑為12.003的時候，軸承振動幅度是最小的，這時候可以實現軸承振動的降低。

2.2 軸承合套參數對軸承振動特性的影響

對圓柱滾子軸承內滾道直徑、滾子直徑以及外滾道直徑進行深入的分析與比對，它們的直徑取值分別是：46.186～46.190mm、11.990～12.005mm以及70.216～70.224mm。采用正交算法來對其進行計算與試驗，并進行了25次試驗，試驗中第2，4，8，10，21，23次試驗合套后的游隙不在CN組別內，故數據無效。

2.3 滾道直徑和滾子直徑推薦選配尺寸

單一因素的影響并不能直接代表圓柱滾子軸承合套后的振動影響，所以，需要采用正交優化計算方法來進行分析與計算，推薦低振動值下的滾道直徑以及滾子直徑尺寸。如果直徑均在CN組合套游隙之內，那么游隙越小，圓柱滾子軸承合套振動值就越低。

3 結論

（1）在圓柱滾子軸承合套參數滿足CN組的情況下，內滾道的直徑越長，那么圓柱滾子軸承的振動值就越小，在內滾道直徑是46.190mm的時候，圓柱滾子軸承振動幅度是最小的。

（2）在圓柱滾子軸承合套參數滿足CN組的情況下，外滾道的直徑越長，那么圓柱滾子軸承的振動值就越大，在外滾道直徑是70.216mm的時候，圓柱滾子軸承振動幅度是最小的。

（3）在圓柱滾子軸承合套參數滿足CN組的情況下，滾子直徑越長，那么圓柱滾子軸承的振動值就越小，在滾子直徑是12.003mm的時候，圓柱滾子軸承振動幅度是最小的。

（4）通過試驗與分析可以得知，在圓柱滾子軸承合套參數滿足CN組的情況下，滾子直徑的振動影響是最大的，外滾道直徑的振動影響次之，內滾道直徑的振動影響則是最小的。所以，為了使圓柱滾子軸承振動值得到有效降低，保證其運行的穩定性，軸承合套進行選擇的時候，需要先確定滾子以及外滾道尺寸，再確定內滾道尺寸，然后再對其進行整合。

參考文獻：

[1]楊文.彈性復合圓柱滾子軸承結構設計及參數優化研究[D].湖南工業大學，2014.

[2]孫雪，鄧四二，陳國定等.彈性支承下的高速圓柱滾子軸承振動特性研究[J].振動與沖擊，2017，36（18）：20-28.