一种考虑转子变形的轴承力学性能计算方法及系统与流程

本发明属于轴承力学分析领域，具体涉及一种考虑转子变形的轴承力学性能计算方法及系统。

背景技术：

1、滚动轴承是旋转机械中的关键部件。广泛应用在滚动轴承的一些现代工程应用中，例如高速燃气轮机、风机、泵和陀螺仪等，必须将轴承视为系统的一部分，以便能够准确确定轴承-转子系统的挠度、动载荷和性能。

2、轴承和转子系统是相互影响的两个部件，当前的研究大多针对轴承对转子动力学性能的影响，而转子的振动、变形反过来也会改变轴承受力，从而影响轴承的力学性能，因此需要将轴承和转子作为一个系统，同时对两者进行计算分析。但是，轴承的力学方程求解本身就较为复杂，方程非线性较强，考察转子的变形后，联立方程的求解将更为复杂。

3、轴承内部载荷分布、刚度和磨损等直接受其支撑力影响，而这些性能指标直接影响轴承寿命和系统稳定性。到目前为止，单个滚动轴承的机械性能已经得到了较为详细的研究。这些方法分析的是单个轴承，并没有考虑转子的变形以及由变形引起的附加力矩载荷。

4、轴承-转子系统研究主要关注转子不平衡度、轴承波纹度和间隙对转子系统响应的影响，而未涉及到如何考虑转子变形及由此产生的附加力矩对轴承性能的影响。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种考虑转子变形的轴承力学性能计算方法及系统，解决了现有技术中联立方程求解轴承性能复杂且没有考虑转子变形对轴承力学性能影响的问题。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、考虑转子变形的轴承力学性能计算方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，根据转子受载及转子结构数据，建立转子力-变形的协调方程，并计算轴承承受的外载荷；

5、步骤s2，根据轴承承受的外载荷，建立考虑轴承离心力及陀螺力的轴承受载变形方程；

6、步骤s3，联立转子力-变形的协调方程及轴承受载变形方程，采用逐步逼近的方法求解联立方程，获取轴承的力学性能。

7、步骤s1中转子力-变形的协调方程的建立方法如下：

8、步骤s11，构建转子的受力平衡方程：

9、f1+f2-p1＝0     (1)

10、f1l1-m1+t1-p1(l1-a)+m2＝0     (2)

11、其中，p1为假设转子承受外部径向载荷，t1为力矩载荷，转子在外载荷作用下产生变形，f1，f2分别为轴承承受的轴向载荷，m1，m2分别为轴承承受的力矩载荷；l1为两支撑轴承之间的距离，a为外载荷作用点到左侧支撑轴承的距离；

12、步骤s12，对轴承-转子系统求出各截面的弯矩方程，

13、当0≤x≤a的时

14、

15、式中，e是弹性模量，i是轴横截面的惯性矩；

16、步骤s13，在x＝0处,对式(3)连续两次积分可得轴和轴承的径向位移δr1，转角θ1，具体的公式如下，

17、

18、步骤s14，同理，对于a≤x≤l1的截面，

19、

20、步骤s15，在x＝l1处，对式(6)连续两次积分可得轴和轴承的径向位移是δr2，转角是θ2，具体的公式如下，

21、

22、步骤s16，在x＝a处，只存在一个转角以及径向位移，因此当x＝a时，式(4)和式(5)应分别等于式(7)和式(8)，求解这两个联立方程可得

23、

24、步骤s17，将式(9)和式(10)带入式(1)和式(2)可求得f2和m2

25、。

26、步骤s2中，建立考虑轴承离心力及陀螺力的轴承受载变形方程的具体过程如下：

27、步骤s21，轴承发生变形后，内、外圈沟曲率中心与球心之间的距离为

28、δij＝(fi-0.5)dw+δij (13)

29、δoj＝(fo-0.5)dw+δoj  (14)

30、式中fi、fo分别表示内、外圈沟曲率系数；δij、δoj分别表示内、外圈沟道的法向接触变形；dw是钢球直径；

31、步骤s22，在任意球位置处，内、外沟道曲率中心轨迹之间的距离为

32、a1j＝bdsinα0+δa+riθcosψj  (15)

33、a2j＝bdcosα0+δrcosψj   (16)

34、其中，bd为内外圈沟曲率中心之间的距离，α0为轴承初始接触角，δa为轴承内圈轴向位移，ri为内圈沟曲率中心轨迹圆半径，δr为轴承内圈径向位移，ψj为第j个球在惯性坐标系中的方位角；

35、步骤s23，利用勾股定理，得到轴承球与沟道位移协调方程

36、(a1j-x1j)2+(a2j-x2j)2-[(fi-0.5)dw+δij]2＝0  (17)

37、

38、其中，x1j,x2j为球心与内/外圈沟曲率中心的轴、径向距离。

39、步骤s24，得到钢球的平衡方程

40、

41、其中，qij为滚动体与内圈接触载荷，qoj为滚动体与外圈接触载荷，λij与λoj分别为内外圈陀螺力矩分配系数，mgj为滚动体所受陀螺力矩，

42、步骤s25，还需要建立内圈的平衡方程，为了得到内圈的位移δa、δr和θ，分别为

43、

44、步骤s3中采用逐步逼近的方法求解联立方程的方法如下：

45、步骤s31，输入轴承和转子的几何、材料、工况参数；

46、步骤s32，将转子作为刚性体，不考虑转子的变形，计算支撑轴承所受的外载荷初值；

47、步骤s33，以步骤s32得到的轴承所受的外载荷初值计算不考虑轴承离心力和陀螺力矩时的轴承内圈位移初值；

48、步骤s34，联立不考虑轴承离心力和陀螺力矩时轴承受载变形方程及转子力-变形的协调方程，修正轴承外载荷初值以及内圈唯一初值；

49、步骤s35，以步骤s34得到的初值为基础，求解各轴承各球的位移协调方程以及受力平衡方程，并得到轴承各球位置及变形值；

50、步骤s36，以步骤s35得到的轴承各球位置及变形值为基础，求解轴承内圈受力平衡方程及转子变形方程，如果求解不收敛，修正各轴承位移及轴承外载荷，返回步骤s35；否则，输出计算结果。

51、所述轴承力学性能包括各零部件位移、速度、加速度以及载荷。

52、考虑转子变形的轴承力学性能计算系统，其特征在于：包括处理器，所述处理器应用所述考虑转子变形的轴承力学性能计算方法，获取轴承力学性能参数。

53、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时调用所述方法的全部或部分步骤。

54、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

55、1、本发明提出一种逐步逼近的思想，逐步对联合方程进行求解，提高联合方程的求解效率，提高轴承的力学性能计算精度，为轴承-转子系统的结构设计以及性能评估提供新的方法。

56、2、本发明将轴承和转子作为一个系统，考虑了转子变形及由此产生的附加扭矩与轴承内部载荷分部之间的非线性耦合关系，较传统方法可更准确的计算出轴承所承受的支反力及内部载荷分布等，为轴承的力学性能分析提供了更为准确的方法。

57、3、由于将轴承和转子作为一个系统进行分析计算，系统方程非线性显著增强，方程求解极易发散，本发明采用逐步逼近的思想，将单个轴承计算结果作为不考虑轴承离心效应但考虑转子变形的轴承-转子系统计算初值，再将该结果作为同时考虑轴承离心效应和转子变形的轴承-转子系统计算初值，从而大大提高方程求解时的收敛能力。