圆柱滚子轴承合套参数对轴承振动特性影响分析
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摘 要：以滚动轴承动力学理论为基础，组成了圆柱滚子轴承动力学微分方程组，并采用预估-校正GSTIFF变步长积分计算方法来对该方程组进行计算，主要分析圆柱滚子轴承合套参数在满足CN组条件的情况下，轴承滚道直径和滚子直径对轴承振动特性的影响。结果表明：随着内滚道直径、滚子直径的增加，轴承振动值和各倍频的幅值均呈先增大后减小的趋势；随着外滚道直径的增加，轴承振动值和各倍频的幅值均呈增大趋势；滚子直径直接影响着轴承的径向振动幅度，是影响最大的一部分，其次才是外滚道直径以及内滚道直径。
关键词：圆柱滚子轴承；动力学；合套参数；振动特性
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.014
0 引言
现如今，很多航空发动机中的主轴系统中，一般都是采用滚动轴承来对主轴转子结构进行支撑，圆柱滚子轴承凭借着自身独有的优势与特点，在航天发动机制造中得到了非常广泛的应用。不过圆柱滚子轴承在应用过程中，会出现一定程度的振动，而这一现象的出现，会给整个主轴系统带来了极大的影响。
1 圆柱滚子轴承动力学坐标
圆珠滚子轴承的保持架是通过外圈来进行引导的。如果轴承工作面有着理想的几何形状，那么其形心以及质心会出现重合。按照该轴承的结构形式，可以建立以下几种坐标系：
（1）轴承惯性坐标系{O；x，y，z}，在该坐标系中，x轴与轴承的转轴是重合的，y与z的面与轴承中心径向平面是平行的，所以，其他坐标系可以根据该坐标系来进行确定。
（2）滚子质心坐标系{Or；xr，yr，zr}，该坐标系中的原点Or是与滚子几何中心相重合的，yr轴与轴承的径向方向符合，zr轴与轴承的周向方向符合，这一坐标系是随着滚子的转动而移动的。
（3）保持架质心坐标系{Oc；xc，yc，zc}，该坐标系中的Oc与保持架几何中心重合，且会随着保持架的转动而转动。
（4）内圈质心坐标系{Oi；xi，yi，zi}，这一坐标系是通过惯性坐标系的平移得出的，该坐标系中Oi与内圈几何中心相重合，会随内圈转动。
（5）保持架兜孔中心坐标系{Op；xp，yp，zp}，此坐标系的Op与保持架兜孔的中心点是重合的，每一个兜孔中都有着相应的坐标系。
2 圆柱滚子轴承振动特性分析
对NU2307ME型圆柱滚子轴承的运行状态进行研究与分析，该轴承所选择的滚子以及套圈材料是GCr15，选择的保持架材料是ZCuZn40。轴承合套之后，径向游隙如果在CN组之内，那么其游隙则为25～50μm。如果轴承合套后游隙没有在CN组内的话，那么数据则无效，反之数据有效。采用预估-校正GSTIFF变步长积分计算方法来进行动力学微分方程组的计算与分析。
2.1 滚道直径和滚子直径对轴承振动特性的影响
2.1.1 内滚道直径对轴承振动特性的影响
滚子直径设定为11.998mm，外滚道直径设定为70.220mm，内滚道直径在46.186～46.190mm之间选择，圆柱滚子轴承合套完成后，径向游隙处于CN组之内。通过对内滚道直径变化的分析可以得知，内滚道直径越短，圆柱滚子轴承的振动值就越大，内滚道直径为46.190mm时，轴承整体的振动值是最小的，所以，这时候可以实现轴承振动的降低。
2.1.2 外滚道直径对轴承振动特性的影响
滚子直径设定为11.998mm，内滚道直径设定为46.188mm，外滚道直径则在70.216～70.224mm之间选择，圆柱滚子轴承合套完成后，径向游隙处于CN组之内。通过对外滚道直径变化的分析可以得知，随着外滚道直径的不断增加，圆柱滚子轴承的振动值以及振动频率会越来越高，外滚道直径为70.216mm的时候，振动值以及振动频率是最小的，这时候可以实现轴承振动的降低。
2.1.3 滚子直径对轴承振动特性的影响
外滚道直径设定为70.22mm，内滚道直径设定为46.188mm，滚子直径则在11.990～12.005mm之间选择，圆柱滚子轴承合套完成后，除滚子直径之外，其他径向游隙都处于CN组之内，通过对滚子直径变化的分析可以得知，随着滚子内径的增加，圆柱滚子轴承的振动值以及振动频率会随之降低，当滚子直径为12.003的时候，轴承振动幅度是最小的，这时候可以实现轴承振动的降低。
2.2 轴承合套参数对轴承振动特性的影响
对圆柱滚子轴承内滚道直径、滚子直径以及外滚道直径进行深入的分析与比对，它们的直徑取值分别是：46.186～46.190mm、11.990～12.005mm以及70.216～70.224mm。采用正交算法来对其进行计算与试验，并进行了25次试验，试验中第2，4，8，10，21，23次试验合套后的游隙不在CN组别内，故数据无效。
2.3 滚道直径和滚子直径推荐选配尺寸
单一因素的影响并不能直接代表圆柱滚子轴承合套后的振动影响，所以，需要采用正交优化计算方法来进行分析与计算，推荐低振动值下的滚道直径以及滚子直径尺寸。如果直径均在CN组合套游隙之内，那么游隙越小，圆柱滚子轴承合套振动值就越低。
3 结论
（1）在圆柱滚子轴承合套参数满足CN组的情况下，内滚道的直径越长，那么圆柱滚子轴承的振动值就越小，在内滚道直径是46.190mm的时候，圆柱滚子轴承振动幅度是最小的。
（2）在圆柱滚子轴承合套参数满足CN组的情况下，外滚道的直径越长，那么圆柱滚子轴承的振动值就越大，在外滚道直径是70.216mm的时候，圆柱滚子轴承振动幅度是最小的。
（3）在圆柱滚子轴承合套参数满足CN组的情况下，滚子直径越长，那么圆柱滚子轴承的振动值就越小，在滚子直径是12.003mm的时候，圆柱滚子轴承振动幅度是最小的。
（4）通过试验与分析可以得知，在圆柱滚子轴承合套参数满足CN组的情况下，滚子直径的振动影响是最大的，外滚道直径的振动影响次之，内滚道直径的振动影响则是最小的。所以，为了使圆柱滚子轴承振动值得到有效降低，保证其运行的稳定性，轴承合套进行选择的时候，需要先确定滚子以及外滚道尺寸，再确定内滚道尺寸，然后再对其进行整合。
参考文献：
[1]杨文.弹性复合圆柱滚子轴承结构设计及参数优化研究[D].湖南工业大学，2014.
[2]孙雪，邓四二，陈国定等.弹性支承下的高速圆柱滚子轴承振动特性研究[J].振动与冲击，2017，36（18）：20-28.
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