CN116933510B - 一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法 - Google Patents

一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法 Download PDF

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Abstract

一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，它属于轴承损伤失效行为分析及预测领域。本发明解决了现有轴承打滑蹭伤失效行为预测方法的通用性差的问题。本发明建立了从工况诱导打滑到表界面打滑蹭伤的关联路径，系统阐明工况、结构、润滑、材料和表面状态的耦合作用机制，基于轴承内部润滑状态和滑滚摩擦界面瞬时温升，形成主轴承表面不同打滑蹭伤程度的定量预测方法，且本发明方法在任何条件下均可实现，具有极强的通用性本发明方法可以应用于轴承打滑蹭伤失效行为预测。

Description

一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法
技术领域
本发明属于轴承损伤失效行为分析及预测领域，具体涉及一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法。
背景技术
航空发动机中的轴承时常需要面临高速、高温、高应力等极端工况，以及大机动变速、变载/冲击、乏油/断油等非稳态工况，其内部接触界面不可避免会发生相对滑动。而且在非稳态工况下轴承滚动体也会出现整体打滑。因此，轴承内部接触表面会同时存在滑动和滚动摩擦，而相对滑动、高接触应力和高温容易导致轴承表面产生蹭伤失效，严重影响主轴承的可靠性提升，因此，对轴承表面蹭伤失效行为进行预测是提升主轴承的可靠性所必须要解决的问题。
疲劳点蚀、断裂、塑性变形、磨损和蹭伤等是主轴承常见的失效形式。其中，轴承表面打滑蹭伤是一个与工况、结构、润滑、材料和表面状态多因素耦合效应密切相关的高度非线性行为。轴承的高速/轻载、启停和大机动飞行过程中的变速/变载等大范围波动工况会导致轴承打滑及润滑状态转变；高速打滑下轴承表界面瞬时高温作用会导致轴承表层材料性能急剧退化而发生打滑蹭伤，因此需要对这一复杂行为进行解耦分析，阐明复杂苛刻工况下轴承的多场耦合效应与损伤机制，对主轴承的打滑蹭伤失效进行预测。但是对于轴承表面蹭伤失效至今还没有成熟的计算公式，虽然国外学者提出了一些蹭伤失效的判断准则，但由于轴承材料、工况、润滑条件等的不同，至今还没有一个被广泛认可的方法对其进行预测。
综上所述，现有轴承打滑蹭伤失效行为预测方法的通用性差，因此，提出一种具有通用性的轴承打滑蹭伤失效行为预测方法是目前亟待解决的科学问题和关键技术难题之一。
发明内容
本发明的目的是为解决现有轴承打滑蹭伤失效行为预测方法的通用性差的问题，而提出了一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、建立轴承的三维实体模型，并将建立的三维实体模型导入到Workbench中进行网格划分；
再根据轴承的设计及工况要求对轴承参数进行设置，所述轴承参数包括材料属性参数、载荷参数、约束参数和接触参数；
步骤二、对网格划分和参数设置后的轴承三维实体模型进行动力学计算，得到轴承滚动体与滚道间的接触载荷w、滚动方向的卷吸速度u；
步骤三、通过接触载荷w和赫兹接触理论求得接触界面的初始接触压力p0；
计算接触界面润滑油膜的中心油膜厚度h，再根据中心油膜厚度和初始接触压力计算刚体中心膜厚；
步骤四、对于接触界面内的任意一个点，将该点处的接触压力、刚体中心膜厚和卷吸速度带入到雷诺方程中，计算出下一时刻该点处的接触压力和润滑油膜膜厚度；
同理，计算出接触界面内每个点处在下一时刻的接触压力和润滑油膜膜厚度；
步骤五、根据下一时刻接触界面内每个点处的接触压力判断是否达到收敛条件；
若达到收敛条件，则利用计算出的下一时刻接触界面内每个点处的润滑油膜膜厚度执行步骤八；
若未达到收敛条件，则对刚体中心膜厚和下一时刻接触界面内每个点处的接触压力进行修正，利用修正后刚体中心膜厚和修正后下一时刻接触界面内每个点处的接触压力执行步骤六；
所述收敛条件要求同时满足条件(1)和条件(2)：
条件(1)：对于接触界面内的任意一点，计算该点在下一时刻的接触压力与带入到雷诺方程的该点处接触压力的差值，再计算接触界面内各个点所对应的差值的总和，若各点处对应的差值的总和小于等于0.001，则认为满足条件(1)；
条件(2)：对下一时刻接触界面内的每个点处的接触压力进行积分运算，将积分运算结果记为w1，若的值小于等于0.001，则认为满足条件(2)；
步骤六、更新下一时刻接触界面内每个点处的润滑油膜厚度；
步骤七、对于接触界面内的任意一点，将步骤六中计算出的该点润滑油膜厚度和修正后该点在下一时刻的接触压力带入到雷诺方程，计算出该点处的接触压力和润滑油膜厚度；
同理，计算出接触界面内每个点处的接触压力和润滑油膜厚度后，再返回步骤五；
步骤八、从接触界面内每个点的润滑油膜厚度中选择出润滑油膜厚度最小的点，将该点的润滑油膜厚度记为hmin，并根据hmin计算出膜厚比λ；
步骤九、根据膜厚比λ判断轴承内部接触界面的润滑状态和摩擦系数；
步骤十、根据轴承内部接触界面的摩擦系数计算接触界面的摩擦热，根据摩擦热计算轴承内部接触界面的温升T；
步骤十一、根据温升T、轴承材料的相变温度Tb和胶合温度Ts来判断轴承打滑蹭伤失效的程度。
进一步地，所述建立轴承的三维实体模型采用的是SoildWorks软件。
进一步地，所述中心油膜膜厚h的计算方法为：
其中，h为中心油膜厚度，G*为无量纲材料参数；U*为无量纲速度参数；W*为无量纲载荷参数；k为椭圆率；e是自然对数的底数。
进一步地，所述刚体中心膜厚的计算方法为：
其中，h0(t)为刚体中心膜厚；E′为轴承滚动体与滚道的等效弹性模量；Ω为计算域；为接触界面内的点/>处的初始接触压力；(x,y)代表空间直角坐标系中的坐标点；ξ为x的无量纲化形式；/>为y的无量纲化形式。
进一步地，所述对接触压力和刚体中心膜厚进行修正采用的均是低松弛修正方法。
进一步地，所述步骤六的具体过程为：
其中，h′是更新后(x,y)处的润滑油膜厚度，Ry为在空间直角坐标系的y方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径；Rx为在空间直角坐标系的x方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径；δ1(x,y,t)为轴承滚动体表面随时间t变化的粗糙度高度，δ2(x,y,t)为滚道表面随时间t变化的粗糙度高度，为修正后下一时刻接触界面内的点/>处的接触压力。
进一步地，所述步骤八中，利用公式(5)计算膜厚比λ；
其中：和/>分别为轴承滚动体和滚道的表面均方根粗糙度。
进一步地，所述步骤九的具体过程为：
若λ≤1，则接触界面处于边界润滑状态，摩擦系数μ为0.15，利用摩擦系数执行步骤七；
若1＜λ≤3，则接触界面处于混合润滑状态，摩擦系数μ为0.07，利用摩擦系数执行步骤七；
若λ>3，则接触界面处于弹流润滑状态，摩擦系数μ为0.03，认为轴承未发生打滑蹭伤。
进一步地，所述接触界面的摩擦热的计算过程为：
Q＝μp0v (6)
其中，Q为摩擦热，v为轴承滚动体和滚道间的相对滑动速度；
根据摩擦热和公式(7)的导热微分方程求解轴承内部接触界面的温升T；
所述温升T的求解过程为：
其中：φ(ξ,η)为接触界面热量；Pe为佩克莱常数；Q*(ξ')为摩擦热Q的无量纲形式；η为z的无量纲形式；ξ′为ξ的傅里叶逆变换形式；
φ(ξ,η)＝Tk′/2aQ (8)
其中：k′为导热系数，a为根据赫兹接触求得的接触区半长。
更进一步地，所述步骤十一的具体过程为：
若温升T小于等于相变温度Tb，则认为轴承不发生打滑蹭伤；
若温升T大于相变温度Tb，且温升T小于胶合温度Ts，则认为轴承的打滑蹭伤形式为烧伤；
若温升T大于等于胶合温度Ts，则认为轴承的打滑蹭伤形式为胶合。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，本发明建立了从工况诱导打滑到表界面打滑蹭伤的关联路径，系统阐明工况、结构、润滑、材料和表面状态的耦合作用机制，基于轴承内部润滑状态和滑滚摩擦界面瞬时温升，形成主轴承表面不同打滑蹭伤程度的定量预测方法，且本发明方法在任何条件下均可实现，具有极强的通用性。
附图说明
图1为本发明的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、采用SoildWorks软件建立轴承的三维实体模型，并将建立的三维实体模型导入到Workbench中进行网格划分；
再根据轴承的设计及工况要求对轴承参数进行设置，所述轴承参数包括材料属性参数、载荷参数、约束参数和接触参数(所述轴承参数用于参与动力学计算)；
步骤二、对网格划分和参数设置后的轴承三维实体模型进行动力学计算，得到轴承滚动体与滚道间的接触载荷w、滚动方向的卷吸速度u；
步骤三、通过接触载荷w和赫兹接触理论求得接触界面的初始接触压力p0，将接触界面的初始接触压力作为润滑油膜的初始接触压力；
计算接触界面润滑油膜的中心油膜厚度h，再根据中心油膜厚度和初始接触压力计算刚体中心膜厚；
中心油膜膜厚h的计算方法为：
其中，为刚体中心膜厚参数，/>h为中心油膜厚度，G*为无量纲材料参数；U*为无量纲速度参数；W*为无量纲载荷参数；k为椭圆率；e是自然对数的底数。
刚体中心膜厚的计算方法为：
其中，h0(t)为刚体中心膜厚；E′为轴承滚动体与滚道的等效弹性模量(Pa)；Ω为计算域；为接触界面内的点/>处的初始接触压力(即将p0带入)；(x,y)代表空间直角坐标系中的坐标点；ξ为x的无量纲化形式；/>为y的无量纲化形式。
步骤四、对于接触界面内的任意一个点，将该点处的接触压力(即将初始接触压力带入)、刚体中心膜厚和卷吸速度带入到雷诺方程中，计算出下一时刻该点处的接触压力和润滑油膜膜厚度；
同理，计算出接触界面内每个点处在下一时刻的接触压力和润滑油膜膜厚度；
步骤四中，对于接触界面内的任意一个点，将该点处的接触压力和刚体中心膜厚带入到雷诺方程中，计算出下一时刻该点处的接触压力和润滑油膜厚度；其具体过程为：
其中：h为润滑油膜厚度(此时代入的是刚体中心膜厚)；p为接触压力；ρ为润滑剂密度；η*为润滑剂等效粘度；u为卷吸速度；
步骤五、根据下一时刻接触界面内每个点处的接触压力判断是否达到收敛条件；
若达到收敛条件，则利用计算出的下一时刻接触界面内每个点处的润滑油膜膜厚度执行步骤八；
若未达到收敛条件，则采用低松弛修正方法对刚体中心膜厚和下一时刻接触界面内每个点处的接触压力进行修正，利用修正后刚体中心膜厚和修正后下一时刻接触界面内每个点处的接触压力执行步骤六；
所述收敛条件要求同时满足条件(1)和条件(2)：
条件(1)：对于接触界面内的任意一点，计算该点在下一时刻的接触压力与带入到雷诺方程的该点处接触压力的差值，再计算接触界面内各个点所对应的差值的总和，若各点处对应的差值的总和小于等于0.001，则认为满足条件(1)；
条件(2)：对下一时刻接触界面内的每个点处的接触压力进行积分运算，将积分运算结果记为w1，若的值小于等于0.001，则认为满足条件(2)；
步骤六、更新下一时刻接触界面内每个点处的润滑油膜厚度：
其中，h′是更新后(x,y)处的润滑油膜厚度，Ry为在空间直角坐标系的y方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径；Rx为在空间直角坐标系的x方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径；δ1(x,y,t)为轴承滚动体表面随时间t变化的粗糙度高度，δ2(x,y,t)为滚道表面随时间t变化的粗糙度高度，为修正后下一时刻接触界面内的点/>处的接触压力。
此时，带入的h0(t)应该是修正后的刚体中心膜厚；
步骤七、对于接触界面内的任意一点，将步骤六中计算出的该点润滑油膜厚度和修正后该点在下一时刻的接触压力带入到雷诺方程，计算出该点处的接触压力和润滑油膜厚度；
同理，计算出接触界面内每个点处的接触压力和润滑油膜厚度后，再返回步骤五；返回步骤五时，此时计算出的接触压力和润滑油膜厚度即为步骤五和步骤六中所述的下一时刻值；
步骤八、从接触界面内每个点的润滑油膜厚度中选择出润滑油膜厚度最小的点，将该点的润滑油膜厚度记为hmin，并根据hmin计算出膜厚比λ：
其中：和/>分别为轴承滚动体和滚道的表面均方根粗糙度；
步骤九、根据膜厚比λ判断轴承内部接触界面的润滑状态和摩擦系数；
若λ≤1，则接触界面处于边界润滑状态，摩擦系数μ为0.15，利用摩擦系数执行步骤七；
若1＜λ≤3，则接触界面处于混合润滑状态，摩擦系数μ为0.07，利用摩擦系数执行步骤七；
若λ>3，则接触界面处于弹流润滑状态，摩擦系数μ为0.03，认为轴承未发生打滑蹭伤。
步骤十、根据轴承内部接触界面的摩擦系数计算接触界面的摩擦热，根据摩擦热计算轴承内部接触界面的温升T；
Q＝μp0v (6)
其中，Q为摩擦热，v为通过动力学提取得到的轴承滚动体和滚道间的相对滑动速度；
根据摩擦热和公式(7)的导热微分方程求解轴承内部接触界面的温升T：
其中：φ(ξ,η)为接触界面热量；Pe为佩克莱常数；Q*(ξ')为摩擦热Q的无量纲形式；η为z的无量纲形式；ξ′为ξ的傅里叶逆变换形式；
φ(ξ,η)＝Tk′/2aQ (8)
其中：k′为导热系数，a为根据赫兹接触求得的接触区半长；
步骤十一、根据温升T、轴承材料的相变温度Tb和胶合温度Ts来判断轴承打滑蹭伤失效的程度；
若温升T小于等于相变温度Tb，则认为轴承不发生打滑蹭伤；
若温升T大于相变温度Tb，且温升T小于胶合温度Ts，则认为轴承的打滑蹭伤形式为烧伤；
若温升T大于等于胶合温度Ts，则认为轴承的打滑蹭伤形式为胶合。
本发明面向高速/变速、变载/冲击、乏油/断油等主轴承的极端工况和非稳态工况，聚焦轴承表面打滑蹭伤这一可靠性问题，基于轴承动力学分析获取的动态力载、接触和润滑状态特征，发展了基于滑滚摩擦界面瞬时温升的轴承表面蹭伤的失效程度判据。获得了轴承表面典型打滑蹭伤的临界滑动速度和接触压力等边界，为轴承防打滑损伤设计和可靠性提升奠定了理论基础。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、建立轴承的三维实体模型，并将建立的三维实体模型导入到Workbench中进行网格划分；
再根据轴承的设计及工况要求对轴承参数进行设置，所述轴承参数包括材料属性参数、载荷参数、约束参数和接触参数；
步骤二、对网格划分和参数设置后的轴承三维实体模型进行动力学计算，得到轴承滚动体与滚道间的接触载荷w、滚动方向的卷吸速度u；
步骤三、通过接触载荷w和赫兹接触理论求得接触界面的初始接触压力p0；
计算接触界面润滑油膜的中心油膜厚度h，再根据中心油膜厚度和初始接触压力计算刚体中心膜厚；
步骤四、对于接触界面内的任意一个点，将该点处的接触压力、刚体中心膜厚和卷吸速度带入到雷诺方程中，计算出下一时刻该点处的接触压力和润滑油膜膜厚度；
同理，计算出接触界面内每个点处在下一时刻的接触压力和润滑油膜膜厚度；
步骤五、根据下一时刻接触界面内每个点处的接触压力判断是否达到收敛条件；
若达到收敛条件，则利用计算出的下一时刻接触界面内每个点处的润滑油膜膜厚度执行步骤八；
若未达到收敛条件，则对刚体中心膜厚和下一时刻接触界面内每个点处的接触压力进行修正，利用修正后刚体中心膜厚和修正后下一时刻接触界面内每个点处的接触压力执行步骤六；
所述收敛条件要求同时满足条件(1)和条件(2)：
条件(1)：对于接触界面内的任意一点，计算该点在下一时刻的接触压力与带入到雷诺方程的该点处接触压力的差值，再计算接触界面内各个点所对应的差值的总和，若各点处对应的差值的总和小于等于0.001，则认为满足条件(1)；
条件(2)：对下一时刻接触界面内的每个点处的接触压力进行积分运算，将积分运算结果记为w1，若的值小于等于0.001，则认为满足条件(2)；
步骤六、更新下一时刻接触界面内每个点处的润滑油膜厚度；
步骤七、对于接触界面内的任意一点，将步骤六中计算出的该点润滑油膜厚度和修正后该点在下一时刻的接触压力带入到雷诺方程，计算出该点处的接触压力和润滑油膜厚度；
同理，计算出接触界面内每个点处的接触压力和润滑油膜厚度后，再返回步骤五；
步骤八、从接触界面内每个点的润滑油膜厚度中选择出润滑油膜厚度最小的点，将该点的润滑油膜厚度记为hmin，并根据hmin计算出膜厚比λ；
步骤九、根据膜厚比λ判断轴承内部接触界面的润滑状态和摩擦系数；
步骤十、根据轴承内部接触界面的摩擦系数计算接触界面的摩擦热，根据摩擦热计算轴承内部接触界面的温升T；
所述接触界面的摩擦热的计算过程为：
Q＝μp0v (6)
其中，Q为摩擦热，v为轴承滚动体和滚道间的相对滑动速度；
根据摩擦热和公式(7)的导热微分方程求解轴承内部接触界面的温升T；
所述温升T的求解过程为：
其中：为接触界面热量；Pe为佩克莱常数；Q*(ξ')为摩擦热Q的无量纲形式；η为z的无量纲形式；ξ′为ξ的傅里叶逆变换形式；
其中：k′为导热系数，a为根据赫兹接触求得的接触区半长；
步骤十一、根据温升T、轴承材料的相变温度Tb和胶合温度Ts来判断轴承打滑蹭伤失效的程度。
2.根据权利要求1所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述建立轴承的三维实体模型采用的是SoildWorks软件。
3.根据权利要求2所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述中心油膜膜厚h的计算方法为：
其中，Rx为在空间直角坐标系的x方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径，h为中心油膜厚度，G*为无量纲材料参数；U*为无量纲速度参数；W*为无量纲载荷参数；k为椭圆率；e是自然对数的底数。
4.根据权利要求3所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述刚体中心膜厚的计算方法为：
其中，h0(t)为刚体中心膜厚；E′为轴承滚动体与滚道的等效弹性模量；Ω为计算域；为接触界面内的点/>处的初始接触压力；(x,y)代表空间直角坐标系中的坐标点；ξ为x的无量纲化形式；/>为y的无量纲化形式。
5.根据权利要求4所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述对接触压力和刚体中心膜厚进行修正采用的均是低松弛修正方法。
6.根据权利要求5所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述步骤六的具体过程为：
其中，h′是更新后(x,y)处的润滑油膜厚度，Ry为在空间直角坐标系的y方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径；Rx为在空间直角坐标系的x方向上轴承滚动体与滚道的接触面的等效曲率半径；δ1(x,y,t)为轴承滚动体表面随时间t变化的粗糙度高度，δ2(x,y,t)为滚道表面随时间t变化的粗糙度高度，为修正后下一时刻接触界面内的点处的接触压力。
7.根据权利要求6所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述步骤八中，利用公式(5)计算膜厚比λ；
其中：和/>分别为轴承滚动体和滚道的表面均方根粗糙度。
8.根据权利要求7所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述步骤九的具体过程为：
若λ≤1，则接触界面处于边界润滑状态，摩擦系数μ为0.15，利用摩擦系数执行步骤十；
若1＜λ≤3，则接触界面处于混合润滑状态，摩擦系数μ为0.07，利用摩擦系数执行步骤十；
若λ>3，则接触界面处于弹流润滑状态，摩擦系数μ为0.03，认为轴承未发生打滑蹭伤。
9.根据权利要求8所述的一种轴承打滑蹭伤失效行为预测分析方法，其特征在于，所述步骤十一的具体过程为：
若温升T小于等于相变温度Tb，则认为轴承不发生打滑蹭伤；
若温升T大于相变温度Tb，且温升T小于胶合温度Ts，则认为轴承的打滑蹭伤形式为烧伤；
若温升T大于等于胶合温度Ts，则认为轴承的打滑蹭伤形式为胶合。
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