总第１６６期 机械管理开发 ｒｒｏｒａｌ １６６ ２０１７年第２期 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＩ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶＥＩ ＯＩ ＭＥＮ＿ｒ Ｎｏ．２，２０１７ 设计理论与方法 ＤＯＩ：１０．１６５２５０．ｃｎｋｉ．ｃｎｌ４－１１３４／ｔｈ．２０１７．０２．Ｏ１ 滚动轴承工况参数的动力学特性分析 苗 瑞 ， 乔长帅 ， 张 刚！ （１．中车株洲电机有限公司， 湖南株洲４１２０００；２．四川航天技术研究院， 四川成都６１００００） 摘要：滚动轴承在电机运行中发挥着重要的作用，影响其振动、噪声及使用寿命如何采用最优的工况参数、 或者在某一特定工况参数下，如何选择最优型号的滚动轴承以获得最优的动力学特性，对保证电机运行的可 靠性有着很重要的意义 ．基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ，以某一深沟球轴承为例，对其在不同径向载荷和转速的工况 参数下的动力学特性进行了对比，得出了最优的工况参数，希望研究内容可以为电机轴承的选择与设计提供 理论依据 、 关键词：滚动轴承ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ工况参数动力学 中图分类号：ＴＨ１１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—７７３Ｘ（２０１７）０２—０００１—０３ 引言 轴承是牵引电机非常重要的一部分，在工作当 中需承受径向载荷，并高速转动。因此，为了保证牵 引电机的高精度和高可靠性，并有效控制振动，轴承 就需要有较高的回转精度，轴承在１：作当中其自身 的动力学特性直接影响到电机实际运行过程中的精 度和可靠性 。 对某一深沟球轴承进行研究，基于 图１ 滚动轴承有限元模型 ＡＮＳＹＳ／Ｉ Ｓ—ＤＹＮＡ建立轴承的有限元模型，综合考 ． 在有限元模 中建立３币叶ｔ接触 ，分别选择滚动 虑径向载荷和转速对轴承动力学特性的影响，得出 体与外圈滚道；滚动体与内 滚道；滚动体 ｊ保持架。 了该轴承的最优工况参数。所研究的内容为进一步 均选择各自表面的节点作为节点组元，如『笨１ ２所示。 研究滚动轴承的动力学特性．提高牵引电机在运行 过程中的可靠性提供了理论依据。 １有限元模型的建立 以实际深沟球轴承的几何参数为例，考虑轴承 保持架的作用，单元类型选择ＳＯＬＩＤｌ６４实体单元， 属性设置为全积分单元，并网格细化，尽量采用六面 体单元，使轴承的网格均匀细划，以控制在仿真过程 中出现的沙漏现象。相关材料参数嵋 设置如表１所 示，有限元模型如图１所示。 图２接触对 表１材料参数 在接触中，分别设置动摩擦系数为０．１，静摩擦 轴承部位 Ｄ／（ｋｇ‘（＇ＩＩＩ一 ） ／ＧＰａ 系数为０．０５。三ｉ种接触对均选择而而自动接触类型， 滚动｛奉 ７．８３×ｌ０ ２ｏ６ ０．３０ 避免穿透。同时可以在结果文件中输出各自的动态 内、外罔 ７．８３ Ｘ １０小 ２ｏ６ ０３０ 接触力。 保持 ７．８３×１０ Ｉ９６ ０．２４ ２工况参数的加载 收稿日期：２（）１６—１２—１４ 为了研究１ 况参数对轴承动力学特性的影响， 第一作者简介：苗瑞（１９８５一），男，山西太原人，研究生，毕业 因此主要针对径向载荷和转速进行分析。各自选择 于太原理工大学机械工程学院机械设计及理论专业，现就职 三组数据，控制其单一变量进行对比分析。 况参数 于中车株洲电机有限公司。 的选择如下页表２所示。 ：黔， ｊ． ｊ 一． 瓢 机械管理开发 ｊｘｇ３ｋｍｊｂ＠ｌ ２６ ｆ！ｏｍ 第３２卷 表２工况参数 定量 变量 ２ ０００ ｒ／ｒａｉｎ ｌ（ｘ】０ Ｎ ２ ０（）ＯＮ ３ ｏ０Ｏ Ｎ ｌ（）（）０ Ｎ ２ ０００ ｒ／ｍｉｎ ４０ｏｏ ｒ／ｍｉｎ ６ ＯＨＤ０ ｒ／ｍｉｎ ２．１径向载荷的加载 轴承在实际的 Ｉ：作当中，其受到的径向载荷方 向大多是某一个特定方向，在仿真的过程中，在轴承 内圈增加一段刚性轴，在其中心线上施加某个固定 方向的载荷能有效模拟这种 １２况条件，由于该刚性 轴的作用是为了辅助加载．因此为了节约软件的计 算时间，将其设置为刚体。 ２．２工作转速的加载 滚动轴承的 Ｔ 作转速对轴承的动力学特性影响 很大。随着转速的提高，所产生的离心力也会加大， 从而导致滚动体 轴承内外圈之间的接触力增加。 同时随着转速的增加，使得滚动体的自转与公转速 度加大，其内部的应力循环频率也随之增加。因此随 着轴承Ｔ作转速的增加，其自身的动力学特性将发 生剧烈的变化。轴承工作时的振动、噪音等是其动力 学特性变化最直接的体现，这些都将直接影响到牵 引电机实际运行时的情况和可靠性。 在保Ⅱ径向载荷不变的情况下，分别选择３组 转速进行埘比分析。同理，径向载荷施加在刚性轴 Ｊ二，转速则施加在轴承的内圈上，为了让轴承的内圈 与刚性轴保持同一转速，分别在内圈和刚性轴上施 加同一转速，从而模拟轴承的实际工况。 ３求解设置 在完成接触对设置和 Ｔ：况加载后，根据深沟球 轴承安装和１ 作条件，采用了如下约束： １）为ｒ模拟轴承座的影响，约束轴承外圈外圆 面上所有节点在 ，ｙ， －－一个方向的平动自由度和转 动自由度 ２）为了模拟轴承的装配情况，分别约束轴承内 圈和轴承外圈左右侧面所有节点的轴向自由度。 求解Ｈ寸间与时间数组７１一致，定义为０．１ Ｓ，然 后控制结果的输出参数，将结果输出类型选择为 ＬＳ—ＤＹＮＡ，生成Ｋ文件，通过修改Ｋ文件的关键字 信息，使输ｍ结果中包含接触力以及节点的变形、速 度、加速度等结果信息即可。最后手动递交Ｋ文件， 运用Ｉ，Ｓ一１）ＹＮＡ求解器ＬＳ—ＤＹＮＡ Ｓｏｌｖｅｒ完成求解。 ４仿真结果的特性分析 运用ＬＳ—ＰＲＥＰＯＳＴ软件分析仿真的结果数据， 渎取轴承在丁作当中的相关动力学特性，滚动轴承 在某一时刻的应力云图如图３所示。 ’ ｜ １ ＾【１ ｔ ｔＩ１８＿ｌｌ ５ ２９６，＋０８— ３ ７８３ｔ￣０８一 ０２６ｅ＋Ｏ８— ２ ２７ ㈣ ｊ 。。 ０（Ｘ）Ｉｋ－＊Ｏ。０． ｜ ｉｌｌ 图３等效应力 图 ４．１径向载荷对动力学性的影响 径向载荷将影响到轴承的振动特性以及轴承内 部的载荷分布，接触应力等。在保证转速一定的情况 下，研究轴承分别在约ｌ ０００ Ｎ、３ ０００ Ｎ、４ ０００ Ｎ的径 向载荷下，滚动轴承的滚动体 外圈的接触力以及滚 动体上某节点位移的对比分析，如【皋１ ４和 ５所示． 时川／ｓ 图５位移对比 从图４和图５可以发现，随着径向载倚力的增 加，接触力和位移的动态变化并不大，在１ ０００ Ｎ的 时候，｝｝｛现了一次较大的波动；２ ０００ Ｎ时 现了两 次较大的波动；３ ０００ Ｎ时出现了３次较大的波动 但整体的动力学特性较为平稳，仿真结果表明：深沟 球轴承能够承受较大的径向载荷。这也和深沟球轴 承的设计目的相符合。但随着载荷的增加，从接触力 的变化可以看出轴承内部的振动是逐步增加的，只 是不很明显。但如果转速又同时增加，那其内部的动 力学特性将发生很大的变化 ， ４．２工作转速对动力学性的影响 分别取轴承工况时的丁作转速为２ ０００ ｒ／ｍｉｎ、 ２０１７年第２期 苗瑞，等：滚动轴承工况参数的动力学特性分析 ４ ０００ ｒ／ｍｉｎ和６ ０００ ｄｍｉｎ，其他变量保持不变，控制 单一变量，研究轴承在不同工作转速情况下的动力 学振动特陛，对比分析如图６和图７所示。 时间，ｓ ６－１ ２０ｏＯｄｍｉｎ 时间，自 ６－２ ４ ０００ ｒ／ｍｉｎ 时Ｉ司／ｓ ６－３ ６０００ｄｍｉｎ 图６接触力对比 从图６接触力的动态对比变化可以很明显看 出，轴承内部的接触力随着转速的变化而发生剧烈 的变化，转速越快，轴承内部的接触力变化越不稳 定，即轴承内部的载荷分布也就越复杂，这将严重影 响到轴承回转精度的保持性。转速越高，轴承内部的 动力学变化就越复杂，因此要想保持高的回转精度 以及可靠性指标，高速轴承对其自身制造精度要求 就会很高。研究转速对轴承动力学特性的影响便非 常重要。 从图７加速度的对比分析可以看出，由于转速 的提高，使得滚动体在轴承内部自转和公转的速度 都随着提高，转速的提高使得滚动体在运转过程中 的加速度变化很不稳定，高转速与低转速相比，加速 度没有减小到零的趋势，这就使得滚动体在轴承内 部运动的时而加速，时而减速，时而又加速，很不稳 定，从而与保持架之间的撞击也就随之加剧。所表现 出来的是轴承在运转过程中的振动和噪声加大，同 时滚动体与内外圈以及保持架之间的接触力变化加 剧，严重影响滚动轴承在运转工作中的精度保持性。 时间，ｓ ７—２ ４ ０００ ｒ／ｍｉｎ 时Ｉ司，ｓ ７－３ ６０００ｄｍｉｎ 图７加速度对比 从动力学特性数据的对比分析可以看出，径向载荷 对滚动轴承的影响并不明显，该型号的滚动轴承最 佳的工况参数主要取决于工作转速。从仿真结果的 三组数据对比可以得出，该型号轴承的最佳工况参 数为径向载荷１ ０００Ｎ，转速２０００ ｒ／ｍｉｎ。 ５结论 从仿真结果所表现出来的动力学特性可以看 出，工况参数对轴承的动力特性有着很大的影响，尤 其是转速。对于某一特定的轴承而言，由于其自身的 几何参数和结构参数已经固化，因此针对某一给定 的轴承，通过动力学仿真，就可以综合考虑，得出某 一最优的工况参数以保证该轴承的最佳动力学特 性，从而保证机牵引电机运行过程中的精度和可靠 性。同理，针对某一特定的工况条件，也可以通过动 力学仿真，研究出在这一工况条件下哪一种型号轴 承的动力学特性最好，从而为轴承的选择和电机的 设计提供有力的理论依据。 通过研究滚动轴承在不同工况参数下的动力学 特陛，分析了载荷和转速对滚动轴承动力学特性的 影响规律，从而为在某一特定工况条件下轴承的设 计以及选择提供了一种理论依据，同时也为进一步 研究滚动轴承的动力学特性，提高牵（下转第６页） ・６・ 机械管理开发 ｊｘｓｌｋｍｊｂ＠１２６．ｃｏｎｒ 第３２卷 灾现场、空间勘察及能源开发等一系列人力难以触 及的复杂环境替代人工进行工作有着良好的应用前 景。此外，３Ｇ网络具备可移动性、持续性、经济性等 有线网络不具备的优势。所以，研究基于３Ｇ网络的 遥操作仿人机器人系统的作用意义非凡。 参考文献 京信息工程大学学报（自然科学版），２０１３，５（１）：ｌ—ｌ９． ［３］ 戈弋，陈岩．基于Ｂｌａｃｋｆｉｎ ＢＦ５３３处理器的低功耗水下远程无线 遥控系统［Ｊ］．水雷战与舰船防护，２０１３，２１（２）：４３—４６． ［４］ 赵向阳，闰胜武．高速景象测量远程无线遥控系统设计［Ｊ］．甘肃 科技，２０１２，２８（６）：５９—６１． ［５］王辉，宋克柱，杨白利．基于ＦＰＧＡ无线远程遥控爆炸系统［Ｊ］． 微型机与应用，２０１４，３３（１８）：１７—１９． ［１］孙军．基于淮南移动３Ｇ传输网的应用研究［Ｄ］．南京：南京邮电 大学，２００７． ［６］ 游达章，肖哲，李秋实．消失模切割机的嵌入式控制系统设计 ［Ｊ］．机械设计与制造，２０１６，３３（１８）：１９４—１９７． ［２］宋爱国．力觉临场感遥操作机器人（１）：技术发展与现状［Ｔ］．南 （编辑：赵琳琳） Ａ Ｈｕｍａｎｏｉｄ Ｒｏｂｏｔ Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｉｎｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｑｕ Ｓｈａｎ （Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｈｉｙａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００６８） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｏｒｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｆｆ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ．Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｕｅ ｔｉｐ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：３Ｇ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ；ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ （上接第３页） 引电机运行过程中的精度与可靠性提供了理论依据。 参考文献 报，２００８，２９（１１）：１ ６２５—１ ６２８． ［５］高春良，王成栋，苗强．滚动轴承动力学仿真与分析［Ｊ］．机械设 计与制造，２０１１（２）：１９３—１９５． ［１］唐云冰，高德平，罗贵火．航空发动机高速滚珠轴承力学特性分 析与研究［Ｊ］，航空动力学报，２００６，２１（２）：３５４—３６０． ［２］汪久根，王庆久，章维明．滚动轴承动力学的研究［Ｊ］．轴承，２００７ （３）：４０—４５． ［６］张成铁，陈国定，李建华．高速滚动轴承的动力学分析［Ｊ］．机械 科学与技术，１９９７，１６（１）：１３６—１３９． ［７］ 张乐乐，高祥，谭南林，等．基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的滚动轴承 仿真分析［Ｊ］．机械设计，２００７，２４（９）：６２—６５． ［３］林腾蛟，荣崎，李润方，等．深沟球轴承运转过程动态特性有限 元分析［Ｊ］．振动与冲击，２００９，２８（１）：１１８—１２２． ［４］李昌，孙志礼．深沟球轴承动态有限元数字仿真［Ｊ］．东北大学学 （编辑：赵婧） Ｔｈｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｏｌｌ’Ｓ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｍｉａｏ Ｒｕｉ ，Ｑｉａｏ Ｃｈａｎｇｓｈｕａｉ ，Ｚｈａｎｇ西Ｉｌｇ２ （１．ＣＲＲＣ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｈｕｎａｎ ４１２０００；２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｙ ｎｉｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｒｕｎｎｉｎｇ，ｉｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｎｏ＇瑁ｅ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ． Ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｏｒ ｉｎ ａ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｈｏｗ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｅ ｔｍｉｉｒｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｈａｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ，ｗｉｔｈ ａ ｄｅｅｐ ｇｒｏｏｖｅ ｂａｌｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｔ＇ｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ：ｒａｄｉｌ ｌａｏａｄ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ，ｗｅ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ’ｏｐｔｉｍａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ＇ｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｉｒｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ；ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ；ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｄｙｎａｍｉｃ