张志强等：变工况过程中球轴承保持架的稳定性 1459 KEY WORDS wear momentum wheel;ball bearing;multi-body dynamic model;cage stability:variable working condition 为提高卫星调姿精度，现对动量轮精准控制 并指出保持架稳定的充分条件为保持架在一个能 提出更高要求，其中动量轮轴承的运行稳定性至 量的吸收和耗散的循环后的动能不能大于初始动 关重要.在要求动量轮轴承摩擦力矩小且稳定的 能.孙雪等6通过建立轴承柔性套圈弹性变形模 条件下，保持架的涡动状态对其动态特性的影响 型，分析了圆柱滚子轴承在高速下其工况参数对 举足轻重.因此，针对动量轮轴承保持架的运行稳 保持架运行稳定性的影响. 定性研究十分必要 除此之外，考虑到动力学模型计算的复杂性 轴承中保持架的作用主要有：将滚动体沿滚 和快速性，以ADAMS等多体动力学软件为工具 道均匀分布和在滚道内对滚动体的引导.由于轴 的保持架运行稳定性模型的建立也得到了发展 承运转过程中，保持架和球之间会发生频繁的碰 吉博文等IM和谭晶等I8I通过ADAMS仿真软件建 撞，进而引起保持架的振动，这种现象称之为“保 立了保持架的稳定性模型，张乐宇等网和汤鹏 持架不稳定性U.保持架的不稳定性是由Kingsbury 等20对其进行二次开发，研究了工况条件、结构 在1965年首次提出).Stevens!)将轴承保持架的 参数等对保持架稳定性的影响.结果表明，轴向载 不稳定性分为三类：径向不稳定、轴向不稳定以及 荷和转速的增加有利于保持架的稳定，而径向载 由于轴承保持架运行位置偏移而引起的不稳定.目 荷和间隙比的增加则不利于保持架运行的稳定 前，已有众多的学者研究保持架的不稳定现象，保 范然然等在上述模型的基础上，建立了计及润 持架的不稳定性也是导致轴承失效的主要原因.除 滑油膜等效刚度的多体动力学模型.分析了载荷 此之外还会产生瞬时的轴承摩擦力矩波动，产生 参数对保持架打滑现象和稳定性的影响. 引起轴承磨损的瞬时力，并发出可听见的噪声-2 目前，针对轴承摩擦力矩的研究，以及在变工 保持架自身的结构设计对其运行稳定性有着 况过程中，轴承启动加速阶段的摩擦力矩和空间 重要的影响.保持架在运行过程中与引导套圈、 失重状态对轴承保持架稳定性影响的研究较少 滚动体发生频繁的碰撞，因此保持架与滚动体之 为提高现行动量轮轴承运行控制精度及满足摩擦 间的兜孔间隙以及保持架与套圈引导面之间的引 力矩小且稳定的需求，本文通过ADAMS仿真软 导间隙是影响其运行稳定性的主要影响因素.众 件，建立基于接触碰撞的球轴承多体动力学模型， 多学者通过对保持架动力学模型的建立，探究了 并在此基础上考虑轴承各组件之间摩擦力.针对 兜孔间隙与引导间隙对保持架运行稳定性的影 轴承在启动加速变工况过程，分析了保持架质心 响，刀结果表明，相对于圆形兜孔，圆周方向的 的涡动状态.与此同时考虑了启动加速度大小与 椭圆兜孔增加了兜孔的周向间隙，有利于减少球 轴向载荷对其涡动状态影响，为保持架的稳定性 与孔之间的碰撞，从而提高保持架的运行稳定性 研究提供了理论支撑 Choe等8-在研究了保持架引导间隙及兜孔间隙 1球轴承多体动力学模型建立 的基础上，同时也研究了保持架质量分布不均对 保持架稳定性的影响. 1.1 ADAMS仿真模型的建立 建立较为准确的保持架动力学模型是研究保 在轴承内部，保持架为无约束的悬浮状态，拥 持架稳定性的重要前提.Ghaisas等o考虑了保持 有六个自由度，其自身的运动状态与滚动体及引 架自由运动的六个自由度，建立了滚动轴承保持 导套圈之间的相互作用相关.由于轴承自身为多 架稳定性的分析模型.Ashtekar和Sadeghil四针对 体部件，其保持架、滚动体以及引导套圈之间的相 六自由度的保持架，利用有限元法将其离散，建立 互作用频繁，使其动力学过程求解复杂.因此本文 了轴承的有限元动力学模型，并指出保持架的柔 将采用ADAMS软件建立轴承的多体动力学模 性对其碰撞作用及涡动有重要的影响.刘秀海☒ 型，如图1，并对保持架运动状态进行仿真分析. 和姚廷强等通过对保持架动力学方程的分 (1)材料属性 析，采用不同方法建立了保持架的动力学模型，分 零件的材料属性见表1. 析了外部工况条件对保持架稳定性的影响.葛世 (2)约束条件 东等从能量的角度建立了保持架稳定性模型， 轴承内圈固定，限制6个方向自由度.轴承外KEY WORDS    wear momentum wheel；ball bearing；multi-body dynamic model；cage stability；variable working condition 为提高卫星调姿精度，现对动量轮精准控制 提出更高要求，其中动量轮轴承的运行稳定性至 关重要. 在要求动量轮轴承摩擦力矩小且稳定的 条件下，保持架的涡动状态对其动态特性的影响 举足轻重. 因此，针对动量轮轴承保持架的运行稳 定性研究十分必要. 轴承中保持架的作用主要有：将滚动体沿滚 道均匀分布和在滚道内对滚动体的引导. 由于轴 承运转过程中，保持架和球之间会发生频繁的碰 撞，进而引起保持架的振动，这种现象称之为“保 持架不稳定性” [1] . 保持架的不稳定性是由 Kingsbury 在 1965 年首次提出[2] . Stevens[3] 将轴承保持架的 不稳定性分为三类：径向不稳定、轴向不稳定以及 由于轴承保持架运行位置偏移而引起的不稳定. 目 前，已有众多的学者研究保持架的不稳定现象. 保 持架的不稳定性也是导致轴承失效的主要原因. 除 此之外还会产生瞬时的轴承摩擦力矩波动，产生 引起轴承磨损的瞬时力，并发出可听见的噪声[1−2,4] . 保持架自身的结构设计对其运行稳定性有着 重要的影响. 保持架在运行过程中与引导套圈、 滚动体发生频繁的碰撞，因此保持架与滚动体之 间的兜孔间隙以及保持架与套圈引导面之间的引 导间隙是影响其运行稳定性的主要影响因素. 众 多学者通过对保持架动力学模型的建立，探究了 兜孔间隙与引导间隙对保持架运行稳定性的影 响[1,5−7] . 结果表明，相对于圆形兜孔，圆周方向的 椭圆兜孔增加了兜孔的周向间隙，有利于减少球 与孔之间的碰撞，从而提高保持架的运行稳定性. Choe 等[8−9] 在研究了保持架引导间隙及兜孔间隙 的基础上，同时也研究了保持架质量分布不均对 保持架稳定性的影响. 建立较为准确的保持架动力学模型是研究保 持架稳定性的重要前提. Ghaisas 等[10] 考虑了保持 架自由运动的六个自由度，建立了滚动轴承保持 架稳定性的分析模型. Ashtekar 和 Sadeghi[11] 针对 六自由度的保持架，利用有限元法将其离散，建立 了轴承的有限元动力学模型，并指出保持架的柔 性对其碰撞作用及涡动有重要的影响. 刘秀海[12] 和姚廷强等[13−14] 通过对保持架动力学方程的分 析，采用不同方法建立了保持架的动力学模型，分 析了外部工况条件对保持架稳定性的影响. 葛世 东等[15] 从能量的角度建立了保持架稳定性模型， 并指出保持架稳定的充分条件为保持架在一个能 量的吸收和耗散的循环后的动能不能大于初始动 能. 孙雪等[16] 通过建立轴承柔性套圈弹性变形模 型，分析了圆柱滚子轴承在高速下其工况参数对 保持架运行稳定性的影响. 除此之外，考虑到动力学模型计算的复杂性 和快速性，以 ADAMS 等多体动力学软件为工具 的保持架运行稳定性模型的建立也得到了发展. 吉博文等[17] 和谭晶等[18] 通过 ADAMS 仿真软件建 立了保持架的稳定性模型，张乐宇等[19] 和汤鹏 等[20] 对其进行二次开发，研究了工况条件、结构 参数等对保持架稳定性的影响. 结果表明，轴向载 荷和转速的增加有利于保持架的稳定，而径向载 荷和间隙比的增加则不利于保持架运行的稳定. 范然然等[21] 在上述模型的基础上，建立了计及润 滑油膜等效刚度的多体动力学模型. 分析了载荷 参数对保持架打滑现象和稳定性的影响. 目前，针对轴承摩擦力矩的研究，以及在变工 况过程中，轴承启动加速阶段的摩擦力矩和空间 失重状态对轴承保持架稳定性影响的研究较少. 为提高现行动量轮轴承运行控制精度及满足摩擦 力矩小且稳定的需求，本文通过 ADAMS 仿真软 件，建立基于接触碰撞的球轴承多体动力学模型， 并在此基础上考虑轴承各组件之间摩擦力. 针对 轴承在启动加速变工况过程，分析了保持架质心 的涡动状态. 与此同时考虑了启动加速度大小与 轴向载荷对其涡动状态影响，为保持架的稳定性 研究提供了理论支撑. 1    球轴承多体动力学模型建立 1.1    ADAMS 仿真模型的建立 在轴承内部，保持架为无约束的悬浮状态，拥 有六个自由度，其自身的运动状态与滚动体及引 导套圈之间的相互作用相关. 由于轴承自身为多 体部件，其保持架、滚动体以及引导套圈之间的相 互作用频繁，使其动力学过程求解复杂. 因此本文 将采用 ADAMS 软件建立轴承的多体动力学模 型，如图 1，并对保持架运动状态进行仿真分析. （1） 材料属性. 零件的材料属性见表 1. （2） 约束条件. 轴承内圈固定，限制 6 个方向自由度. 轴承外 张志强等： 变工况过程中球轴承保持架的稳定性 · 1459 ·