ADAMS二次开发技术在滚动轴承动力学分析中的应用

张风琴，李兵建，田宇，李笛

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.一拖(洛阳)柴油机有限公司，河南 洛阳 471003；3.河南有线电视网络集团有限公司洛阳分公司，河南 洛阳 471009)

滚动轴承虽然结构简单，但是由于各零件间的相互作用力比较复杂，再加上润滑剂的作用，从而导致动力学分析非常复杂，由此建立的非线性方程组的求解也很困难。下文对机械系统动力学仿真软件ADAMS进行二次开发，建立了轴承动力学分析的专用模块，借助ADAMS强大的微分方程求解器和图形及数据前、后处理功能，不但可以大大缩短动力学分析所需时间，提高仿真效率，保证分析结果的准确性，而且具有较高的可靠性。

1 轴承动力学分析模块

随着高速时代的到来，对轴承的要求越来越高，而在高速、轻载条件下轴承的动态特性直接影响主机的动态性能和可靠性。轴承在工作状态下的发热,保持架运转的不稳定,滚动体的倾斜、歪斜和打滑以及早期磨损等是造成轴承早期失效的主要原因，因此对轴承进行动力学分析已成为高速轴承设计中的重要环节[1]。

1.1 ADAMS/View用户化界面的开发

对ADAMS进行二次开发建立的轴承动力学分析模块可以快速、准确地建立其虚拟样机模型，通过该用户化界面的设计功能使操作界面更友好，更易于操作。轴承动力学分析模块中主要包括以下几类用户化界面的开发。

1.1.1 菜单

基于ADAMS建立一个Bearing的菜单[2]，并创建5个子菜单，分别为创建零件、添加约束及作用力、仿真分析、优化分析和查看结果。每个菜单下都有与其相应的子菜单，如创建零件的子菜单包括创建内圈、外圈、滚动体、保持架、密封圈和防尘盖等。

其中，建立下拉菜单的命令为：

MENU1 Bearing

NAME=bearing

BUTTON2 Model

NAME=create

CMD=int dia disp dia=.gui.geometry_parameter

BUTTON2 Constraint

NAME=constraint

CMD=int dia disp dia=.gui.add_constraint

BUTTON2 Simulation

NAME=motion simulation

CMD=int dia disp dia=.gui.motion_simulation

BUTTON2 Optimization

NAME=optimization analysis

CMD=int dia disp dia=.gui.optimization_analysis

BUTTON2 Results

NAME=results

CMD=int dia disp dia=.gui.results

1.1.2 对话框

ADAMS中使用的对话框包括各种界面对象，通过使用ADAMS的对话框编辑器可以创建和修改对话框，以更好地满足用户需要。创建自定义的对话框后，通过单击菜单上的按钮即可弹出用户自定义的各种对话框[3]，在其中输入相应的轴承参数后，点击确定就可自动生成相应的模型，其中修改轴承几何模型的对话框如图1所示。

图1 修改轴承模型的对话框

1.2 用户自定义程序

由于函数表达式极易操作，且不必编译或连接，因此在一般情况下，ADAMS的大部分功能通过函数表达式即可完成，但对于复杂的情况，如本算例中判断润滑油状态的逻辑判断用ADAMS/Solver提供的函数就难以表达。而用户自定义子程序则可以利用编程语言[4-5](C++或FORTRAN)定义模型的元素，比函数表达式更具通用性和有效性。在轴承的动力学分析中需要使用GFORCE控制滚道与滚动体之间的作用力，通过ADAMS自带的子程序SUBROUTINE GFOSUB(ID,TIME,PAR,NPAR,DFLAG,&IFLAG,RESULT) 即可实现。在实时计算滚道与滚动体之间的作用力时，需要用到一些轴承的系统状态参数，比如内、外圈的转速，滚动体的自转速度、公转速度以及滚动体的径向位移与轴向位移等，而通过ADAMS自带的一些功能子程序(Utility Subroutine)即可获取轴承的系统状态，比如获取滚动体的位移和速度的语句分别表示如下：

CALL SYSFNC(′DM′,ipar,2,DIS(6),errflg)；

CALL SYSFNC(′WM′,ipar,2,VOL(2),errflg)。

1.3 ADAMS算法

ADAMS利用修正的Newton-Raphson算法求解一系列的线性和非线性方程。对动力学的微分方程来说，ADAMS有以下几种不同的积分算法：如果系统为刚性系统，ADAMS会自动选择变系数的BDF刚性积分程序来计算，BDF是一种自动变阶的、变步长的预估校正法，其在积分的每一步都会自动采用此修正的Newton-Raphson迭代算法求解方程；如果系统为高频系统，则采用坐标分块的方法，将微分-代数方程简化成常微分方程，然后再分别利用ABAM法和Runge-Kutta法对其进行求解。基于以上算法，对于动力学分析来说，利用ADAMS可以使求解的结果更加准确、稳定。

1.4 虚拟样机参数化模型的建立

ADAMS提供了十分强大的参数化建立模型的功能，用户在建立虚拟样机的模型之前，要根据最终分析的要求确定ADAMS中的设计变量，当用户需要更新虚拟样机模型时，只需简单地改变设计变量即可。利用ADAMS强大的参数化功能，用户可以避免一些重复性的或复杂的工作，因此可缩短建立模型的时间，大大提高工作效率。

下文利用参数表达式对ADAMS进行二次开发，使用宏命令和条件命令、循环命令等定制ADAMS的用户化界面，利用软件自带的cmd语言实现圆柱滚子轴承的自动建模和仿真控制。虚拟样机模型为圆柱滚子轴承NU1020，内圈不带挡边，外圈带双挡边，滚子素线类型是直素线,保持架由外圈引导，其基本参数为内径d=100 mm，外径D=150 mm，宽度B=24 mm，滚子数Z=24粒，滚子直径Dw=12 mm，滚子长度Lw=12 mm，基本额定静载荷C0r=85 kN。基本额定动载荷Cr=114 kN。其虚拟样机模型如图2所示。

图2 ADAMS中生成的三维轴承模型

2 实际应用

利用轴承动力学分析的专有模块建立系统模型，如图3所示，该三维模型上已经添加了各种驱动、约束和作用力等。利用ADAMS的二次开发技术建立的滚子轴承模型仿真后的结果如图4～图6所示，模拟工况条件为外圈固定，内圈转速为5 000 r/min，径向载荷为2 000 N。

图3 轴承的系统模型

滚子与滚道之间的法向接触力如图4所示，虚线表示滚子与外滚道之间的接触力，实线表示滚子与内滚道之间的接触力，两者的差值即为滚子的离心力。保持架与外圈引导面之间的流体作用力如图5所示，由图可知，两者之间的作用力虽有所波动，但已基本稳定。保持架的质心轨迹如图6所示，保持架的质心在y，z平面内的位移基本相等，其轨迹大致呈椭圆状。由图4～图6可知，建立轴承的动力学仿真模型后，可以快速、直观地展现其运动仿真的结果。

图4 滚子与滚道之间的接触

图5 保持架与引导面间的流体作用力

图6 保持架质心轨迹

3 结束语

利用ADAMS强大的二次开发功能建立的滚动轴承的动力学分析模块，与传统的动力学分析软件相比，不仅可以大大提高分析效率，而且具有可靠性及可视化程度高等优点。