基于ADAMS的軸承虛擬可靠性試驗方法

李 昌 韓 興

遼寧科技大學(xué),鞍山,114051

基于ADAMS的軸承虛擬可靠性試驗方法

李 昌 韓 興

遼寧科技大學(xué),鞍山,114051

提出了一種軸承的虛擬可靠性試驗方法。建立軸承三維虛擬試驗樣機,利用ADAMS參數(shù)化技術(shù)以及編寫偽隨機數(shù)子程序等方法對試驗樣機進行Monte Carlo參數(shù)化,利用自定義函數(shù)模擬軸承各類參數(shù)的隨機誤差,對參數(shù)化的軸承樣機進行多次虛擬試驗,獲取試驗數(shù)據(jù)。利用VC++編程自動讀取試驗結(jié)果文件并求取軸承內(nèi)圈跳動的可靠度,分析了各類隨機誤差對軸承動態(tài)特性的影響。開發(fā)了通用的軸承虛擬可靠性試驗程序。

可靠性;深溝球軸承;ADAMS;Monte Carlo;隨機誤差

0 引言

傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)分析通常采用確定性的力學(xué)模型進行,將模型參數(shù)作為確定量處理,其本質(zhì)是用均值參數(shù)系統(tǒng)代替實際結(jié)構(gòu)系統(tǒng),這就忽略了系統(tǒng)內(nèi)部的變異性。研究表明,只有系統(tǒng)的變異性較小或各部分變異比較均勻時,上述分析才能給出較為符合真實情況的結(jié)果;否則,傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別必然是一種有偏差的估計。實際工程結(jié)構(gòu)的隨機性表現(xiàn)在以下幾個方面[1]:①結(jié)構(gòu)元件材料特性的隨機性,制造環(huán)境、材料等因素的影響使材料的屈服應(yīng)力、彈性模量、泊松比、密度等具有隨機性;②結(jié)構(gòu)元件幾何尺寸的隨機性,制造和安裝誤差使結(jié)構(gòu)幾何尺寸具有隨機性;③結(jié)構(gòu)邊界條件的隨機性;④結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)的隨機性,如系統(tǒng)阻尼特性、摩擦因數(shù)等。

各類隨機因素的影響使系統(tǒng)存在一定的隨機特性,即使同一系統(tǒng),隨著使用地點、環(huán)境及使用時間的變化,其動態(tài)響應(yīng)也是一個多元的隨機變量。因此,考慮系統(tǒng)的隨機因素,對系統(tǒng)開展虛擬可靠性試驗具有十分重要的意義。

現(xiàn)今,滾動軸承已成為高速回轉(zhuǎn)運動的重要機械支承件和軍事、民用工業(yè)的重要基礎(chǔ)件[2]。實踐表明,軸承不可避免地存在制造和安裝誤差,這些隨機誤差將對軸承的振動、噪聲產(chǎn)生重要影響。深溝球軸承的虛擬可靠性試驗方法能有效分析各類隨機誤差對軸承動態(tài)特性的影響,為軸承減振降噪提供可靠的理論依據(jù)。

1 虛擬可靠性試驗的技術(shù)路線

機械多體系統(tǒng)由于制造和裝配誤差,而存在隨機性。設(shè)計中,設(shè)計者通常采用傳統(tǒng)解析法和常規(guī)試驗對系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析。傳統(tǒng)解析法計算相當復(fù)雜,特別是對于復(fù)雜多體隨機系統(tǒng)的動力分析問題,常常難以建立解析數(shù)學(xué)模型。而且,模型計算存在誤差,勢必影響運算結(jié)果。常規(guī)試驗借助真實物理樣機對系統(tǒng)進行分析,要實現(xiàn)系統(tǒng)隨機特性分析需建造大量的物理樣機,必將大量增加試驗的成本并浪費試驗時間。

虛擬可靠性試驗方法綜合運用機構(gòu)運動學(xué)、運動誤差分析理論、虛擬樣機技術(shù),以ADAMS為平臺,實現(xiàn)對復(fù)雜隨機系統(tǒng)動態(tài)特性的分析。技術(shù)路線如圖1所示。試驗中,利用C語言編寫產(chǎn)生偽隨機數(shù)的用戶自定義函數(shù),模擬軸承系統(tǒng)的各類隨機誤差,建立參數(shù)化虛擬試驗樣機;經(jīng)過多次動力學(xué)仿真試驗,提取試驗數(shù)據(jù)并以文本形式保存試驗結(jié)果,利用VC++編程自動讀取文本試驗數(shù)據(jù);最終將試驗過程模塊化,使虛擬試驗自動完成,不受時間和次數(shù)的限制。

2 軸承參數(shù)化虛擬樣機的創(chuàng)建與仿真

圖1 虛擬可靠性試驗流程圖

應(yīng)用ADAM S/V iew圖形庫對基本幾何實體進行布爾運算,可獲得復(fù)雜幾何形體[3]。本文以6408軸承為研究對象。6408軸承具體尺寸和公差如表1所示,根據(jù)軸承具體尺寸建立虛擬試驗樣機,如圖2所示。利用ADAMS/View提供的參數(shù)化方法可實現(xiàn)軸承虛擬樣機參數(shù)化操作,因考慮隨機性誤差的影響,編制產(chǎn)生服從正態(tài)分布的偽隨機數(shù)用戶自定義函數(shù)ZMYRAND(a)。修改與構(gòu)件尺寸相關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量值,如:Length=A+ZMYRAND(a),其中Length為設(shè)計變量,A為符合正態(tài)分布的構(gòu)件尺寸均值,a為ZMYRAND(?)函數(shù)的主參數(shù),用來標識不同的偽隨機數(shù),實現(xiàn)對軸承樣機的 M onte Carlo參數(shù)化。

表1 6408軸承的尺寸和公差 mm

圖2 6408軸承的幾何模型

軸承滾珠和內(nèi)外圈材質(zhì)為軸承鋼,密度為7.801×10-6kg/mm3,彈性模量為 207GPa,泊松比為0.29;保持架材質(zhì)為黃銅,密度為8.545×10-6kg/mm3,彈性模量為 106GPa,泊松比為0.324。為模擬軸承工作狀態(tài),將其外圈固定(與軸承座配合約束),內(nèi)圈以一定角速度旋轉(zhuǎn),各滾珠與內(nèi)外圈滾道之間添加接觸碰撞約束,滾珠與保持架之間也添加接觸碰撞約束,共定義30對接觸。內(nèi)圈在徑向力F r(F r=50N)作用下,以n b=600r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。對6408軸承進行0.05s 100步的仿真計算,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 0.05s內(nèi)軸承內(nèi)圈位移曲線

圖4 0.05s內(nèi)內(nèi)圈徑向跳動

圖3所示為計算得到的軸承內(nèi)圈位移,圖4所示為軸承內(nèi)圈徑向跳動位移、速度和加速度曲線。內(nèi)圈的徑向跳動反映了軸承的振動狀態(tài),監(jiān)測內(nèi)圈徑向跳動變化規(guī)律可有效了解軸承系統(tǒng)的振動特性,從而為研究軸承振動噪聲和各種隨機誤差之間的影響關(guān)系提供有效途徑。

3 軸承虛擬可靠性試驗系統(tǒng)的開發(fā)

以VC++6.0為開發(fā)平臺,結(jié)合ADMAS二次開發(fā)功能,根據(jù)前面的技術(shù)路線以及相關(guān)技術(shù)要點,開發(fā)了通用的軸承虛擬可靠性試驗系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)深溝球軸承的虛擬可靠性試驗,以定量的概率反映軸承各類隨機誤差對其振動特性的影響。系統(tǒng)分前處理模塊、可靠性試驗?zāi)K和后處理模塊3個主要模塊,如圖5所示。

圖5 軸承虛擬可靠性試驗系統(tǒng)

試驗中,將根據(jù)實際仿真的次數(shù),統(tǒng)計仿真結(jié)果文件,按照用戶所指定的允許極限誤差數(shù)值,計算任意時刻試驗樣機某方面特性的可靠度。仿真結(jié)果以文本形式保存,如果仿真100次,則會產(chǎn)生100個仿真結(jié)果文件。利用V isual C++6.0提供的API函數(shù)將仿真結(jié)果自動從文本文件中讀取出來,根據(jù)誤差的表達式[4-7]

計算誤差值。得出輸出運動(位移、速度和加速度)的分布參數(shù):

式中,n為仿真次數(shù);Δyi為第i次輸出運動誤差;y*為理想值;yi為第i次仿真測量值;μ為仿真結(jié)果均值;σ2為仿真結(jié)果方差。

再結(jié)合正態(tài)分布近似算法,編寫可靠度的計算程序,實現(xiàn)對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的自動處理,可靠度計算窗口如圖6所示。

4 算例分析

圖6 可靠度計算對話框

利用開發(fā)的軸承虛擬可靠性試驗系統(tǒng),分別對6408軸承進行 10次、100次、1000次試驗,軸承轉(zhuǎn)速600r/min,徑向力50N。位移極限誤差特征值(μ0,σ0)=(0.15,0.05),允許速度極限誤差特征值(μv0,σv0)=(0.45,0.05),允許加速度極限誤差特征值(μa0,σa0)=(2,0.05),求取軸承內(nèi)圈徑向跳動在規(guī)定誤差范圍內(nèi)的可靠度。求取可靠度之前,須對試驗所獲取的誤差大樣本數(shù)據(jù)的分布規(guī)律進行擬合檢驗,確定其分布類型。對1000次試驗所得到的t=0.0001s的位移誤差數(shù)據(jù)進行擬合檢驗,得到概率分布圖和頻率直方圖,如圖7所示。

圖7 1000次虛擬可靠性試驗數(shù)據(jù)擬合

經(jīng)χ2檢驗,內(nèi)圈徑向跳動位移誤差符合正態(tài)分布,據(jù)此可求得1000次試驗中 t=0.0001s的可靠度,同理對軸承任意時刻可靠度進行計算。通過對軸承進行多次試驗,得出t=0.0001s時的可靠度如表2所示。

表2 軸承虛擬可靠性試驗結(jié)果

5 結(jié)論

(1)提出了一種虛擬可靠性試驗方法,以定量概率反映了軸承各個尺寸參數(shù)、間隙等隨機誤差對軸承振動的影響程度。

(2)虛擬可靠性試驗方法能代替真實試驗,避免浪費大量的人力、物力、財力。

(3)為軸承動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

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Virtual Reliability Test Method for Bearing Based on ADAMS

LiChang Han Xing
Liaoning University of Science and Technology,Anshan,Liaoning,114051

Three-dimensional virtual test p rototype o f the bearingswas set up in ADAMS firstly,Monte Carlo parameterization of the prototype was carried out in pseudo-random numbers subroutine.A fter timesof virtual test on the parameterize prototype,analogizing different bearing parameter's random errorsw ith self-defining function,experimental datawere got.Introducing VC++program to read the data file autom atically to compute the run-out reliability levelof the bearing's inner race,it p resents amethod of virtual reliability test for bearing,which can analyze the effects of different random errorson bearing dynamic behavior effectively.Lastly,it developed an universal bearing virtual reliability test program.

reliability;rolling bearing;ADAMS;Monte Carlo;random error

TH 122

1004—132X(2011)05—0509—04

2010—05—05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2006A A04Z408);遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(20062017)

(編輯 袁興玲)

李 昌,男,1980年生。遼寧科技大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院講師、博士。主要研究方向為多體隨機系統(tǒng)可靠性分析。韓 興,女,1982年生。遼寧科技大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院講師。