文摘
进一步研究了滚动轴承的故障机理和故障特征,针对滚动轴承故障动态模型与内圈当地缺陷考虑轴承径向间隙和时变位移激励建立基于赫兹接触理论。通过对比模拟故障信号与轴承故障的测试数据在时域和频域,建立了故障动态模型的准确性验证。最后,改变规则的轴承内圈故障信号的特征参数,包括有效的价值,绝对平均值,平方根振幅,峰值、峰态因素,脉冲因素,峰值因子,和形状因子,由故障动态模拟模型。结果强调该断层动态模型是在良好的协议与实验结果。模型可以模拟故障信号特征参数与缺陷宽度的变化,有效的外部载荷和转速。工程应用价值的研究本文对轴承状态监测和故障诊断。
1。介绍
滚动轴承是各种旋转机械的一个重要组成部分。轴承故障不仅影响机械设备的正常运行,而且还造成灾难性的损害(1]。滚动轴承的状态监测和故障诊断是当前研究的热门话题。具有重要意义,建立一个可靠的滚动轴承故障动态模型研究轴承的状态监测和故障诊断2,3]。
大量的国内外研究进行了滚动轴承故障的动态模型。帕蒂尔et al。4)建立了一个动态模型基于赫兹接触理论和模拟滚动轴承的轴承外圈局部缺陷的影响轴承振动。帕特尔et al。5]研究了深沟球轴承的特点,建立了一个针对轴承动力学模型考虑到轴,笼子,水沟,球质量。他们还研究了轴承的振动响应与单故障和多故障内在和外在调心轴承。Zhang et al。6)建立了一个针对滚动轴承故障动态模型与当地外圈缺陷,考虑滚动轴非线性轴承力和径向间隙。关等。7)设置三个非线性动态故障模型的滚动轴承外圈局部缺陷,内圈局部缺陷,和辊局部缺陷,分别考虑到轴承径向间隙,滚子和滚道的非线性接触力,和不同合规(VC)振动。这些模型的正确性验证了仿真分析结果。研究了滚动轴承故障振动特性,Zhang et al。8)建立了一个six-DOF轴承故障动态模型。他们模拟和分析了滚动轴承外圈局部缺陷的错,内圈局部缺陷的错,和辊当地缺陷故障,分别由龙格-库塔数值积分方法。他们的研究结果与实验基本一致。妞妞et al。9]构造滚动球轴承动力学模型与当地基于Gupta轴承表面缺陷模型,并分析了其动态特性,它提供了一个理论依据滚动球轴承疲劳损伤分析和故障定量诊断。刘等人。10)建立了圆柱滚子轴承局部缺陷故障动态模型与非理想的赫兹线接触特性和时变位移激励。他们也研究了位移激励的影响形式和当地缺陷尺寸圆柱滚子轴承的振动特性。它提供了有价值的结论为当地的缺陷故障动态分析和滚动轴承的故障诊断。燕et al。11制定了一个针对深沟球轴承局部缺陷故障动态模型,基于非线性赫兹接触变形和弹性流体润滑理论。他们也验证了模型的准确性通过比较仿真信号与轴承故障测试数据和轴承故障诊断提供了理论依据。妞妞et al。1)提出了一个动态模型的滚子轴承滚子缺陷。江et al。12)建立了一种改进的动态模型研究的突变接触力和相应的轴承系统的振动响应。为了研究振动特性和稳定性由于配合间隙,曹et al。13)提出了一个rotor-bearing-pedestal系统的动态模型。该模型适用于时变位移响应和傅里叶光谱分析转子系统的振动特性。布尔顿et al。14]研究了局部缺陷对转速波动的影响在一个锥形滚柱轴承。该工具可以区分速度变化与缺陷和工作条件。李等人。15)建立了一个通用滚动轴承转子系统的动力学模型和使用一个测试转子两个深沟球轴承支持的实验验证。易et al。16)提出了一个模型考虑不仅高速滚动体的影响如离心力和陀螺力矩也所有活动的自由度(自由度)组件。秦et al。17)提出了一种新的高速故障动态模型ACBB使用b样条拟合位移激励法来表示故障激发。
大多数的研究旨在建立轴承故障动态模型但缺乏轴承故障信号特征参数的变化规律18- - - - - -21]。针对上述缺点,首先,时变位移激励函数是用来表示错误本文根据滚动轴承内圈故障形式;其次,滚动轴承故障动态模型建立考虑时变位移激励和轴承间隙。然后,验证模型的准确性通过比较模型仿真结果与实验结果。最后,当内圈的故障发生时,模型是用来模拟缺陷宽度的影响,外部负载,工作速度在轴承故障特征参数。研究结果可以提供一个理论参考轴承状态监测和故障诊断。
2。轴承故障动态模型与内圈局部缺陷
2.1。轴承简化模型
实际的轴承结构复杂。研究了轴承振动、滚子、内圈和外圈可以简化为弹簧-质量系统(4,5),如图1。轴承故障动态模型建立了基于赫兹接触理论。
2.2。局部缺陷形状
本文研究局部缺陷的初期故障的轴承和使用矩形来表示实际的缺陷形状。在初期的轴承故障、缺陷的宽度很小,所以它不接触缺陷底部时辊通过缺陷。最大偏移量产生的缺陷是小于缺陷深度 。图2演示了通过滚子缺陷的过程,分为三个阶段。在第一阶段中,辊进入缺陷从一开始就与辊接触的左侧缺陷,和时变位移逐渐增加。在第二阶段中,辊进入缺陷完全与辊接触双方的缺陷,和时变位移达到最大。在第三阶段,辊离开缺陷与辊接触的右侧缺陷,和时变位移逐渐下降。简而言之,当辊通过缺陷,它的时变位移逐渐增加然后减少,所以辊时变位移激励模型表示大约的正弦函数。
2.3。内圈的时变位移激励当地缺陷的错
当内圈旋转的工作轴,轴承内圈缺陷的位置和时变位移激励相应地改变。辊的角位置关系和缺陷如图3。逆时针方向为正方向,设置为内圈角速度 。的初始角速度第一辊相对于轴是 ,的角速度我th辊相对于在时间轴是 。的初始角速度的右侧缺陷相对轴是 ,和角速度相对于轴是 。缺陷的角度是2 ,在哪里是轴承内滚道的直径。根据内圈的关系缺陷和辊运动,时变位移激励辊传递产生的缺陷可以得到如下: 在哪里 在这轴承罩的速度。
2.4。建立动态的微分方程
轴承非线性载荷和位移之间的关系由哈里斯表示如下:
深沟球轴承, 。轴承承受载荷时,两个跑道之间的径向位移等于两者之间的径向位移的和调心滚子,这是表示如下:
总刚度写成 在哪里滚子的接触刚度和内心的种族和滚子的接触刚度和外环。球轴承, 在哪里内水沟时接触参数1和尺寸时接触参数外滚道尺寸是1。内滚道的曲率函数。外滚道的曲率函数。
轴承接触刚度可以通过公式计算(5)。轴承的内圈的位移和方向是和 ,如图4。径向位移的内圈相对于辊表示如下: 在哪里径向间隙。深沟球轴承的径向接触力每个辊可以通过以下公式计算: 在哪里和的和组件径向接触力的力量吗每个球的X和Y方向和分别写成下面的公式:
滚动轴承工作时,外环通常是固定在轴承箱。由于高刚度轴承箱和小振动轴承的外圈,内圈的振动被认为是,和轴承故障动态的微分方程建立了两自由度如以下公式所示(11]: 在哪里内圈的质量和吗是开关的值判断是否辊通过缺陷。如果是“通过”, ;否则, 。 等效阻尼轴承内圈的吗和的方向。和是外部载荷作用于内圈的吗X和Y方向,分别。由偏心是内环离心力,内圈是角速度。
轴承交叉刚度是微不足道的22),所以轴承刚度和在X和Y方向可以近似公式的偏差(9)和(10)x和y。
总之,解决滚珠轴承的动力学方程的步骤本文图所示5,如下所示。
3所示。实验验证
3.1。收购轴承测试数据
轴承故障动态模型的正确性验证通过比较凯斯西储大学的轴承故障测试数据与模型模拟结果。轴承故障试验台如图6。它包括一个2-horsepower电机、扭矩传感器、功率计和电子控制单元。轴承外圈固定,内圈支持电机轴。声学传感器收集到的振动信号,安装在马达住房6点钟。采样频率为12000赫兹,和电机主轴转速1797 r / min。
(一)
(b)
测试轴承是一个深沟轴承(型号:6205 - 2 - rs杰姆SKF),和结构参数如表所示1。一个单点故障设置在轴承内圈的电火花腐蚀技术。缺陷宽度是0.1778毫米,缺陷深度为0.2794毫米。
当地的缺陷故障特征频率公式的轴承内圈23表示如下: 在哪里轴承内圈的频率,辊直径,是轴承节圆直径,是辊之间的接触角和内或外环。通过计算,内圈故障特征频率162.8赫兹,内圈旋转频率是29.9赫兹。
根据设置的参数表1。轴承内圈结构阻尼是200 Ns / m。径向负荷在X方向为300 N,径向载荷在Y方向是0 N,内圈的偏心距离是0.005毫米。故障解决的动态模型方法。时间步长是0.0001秒,初始位移,初始速度,初始加速X方向和Y方向都是零。
3.2。内圈故障仿真和实验验证
当轴承内圈局部缺陷,缺陷的负载变化定期因为缺陷与轴承内圈旋转,和轴承频率频率调制的作用。内圈故障信号的谱图主要描述为内圈故障特征频率及其倍频,内圈故障特征频率的中心频率,而旋转频率及其倍频的频率。
轴承内圈故障的时域信号测试数据图所示7(一)。降噪后的信号频谱图所示7 (b)。图8(一个)显示了轴承内圈故障模型的模拟信号在时域、频域仿真信号如图8 (b)。从数据7 (b)和8 (b)可以看出,故障特征频率及其倍频很明显,为中心,f旋转频率及其倍频边频带。实验结果和仿真结果有很好的一致性。故障特征频率 在模拟信号频谱与理论值一致。实验中的故障特征频率信号频谱 ,这基本上是等于仿真结果。他们是有点不同,因为有一个滑动现象时轴承的轴承和一个错误的速度测量。因此,内圈故障动态模型的准确性验证通过比较仿真结果与实验结果。
(一)
(b)
(一)
(b)
4所示。特征参数的模拟和分析轴承内圈故障信号
4.1。对故障信号特征参数
轴承早期的局部缺陷的错,缺陷的尺寸非常小,但缺陷与轴承的运行规模逐渐扩大,直到出现严重故障。此外,轴承的径向载荷和工作速度也将改变。因此,有必要研究轴承的故障信号特征在不同缺陷宽度,径向负荷,和工作速度和获得相应的变化规律,可为轴承状态监测和故障诊断提供参考。
轴承故障信号的统计参数可以反映故障特征通常选择描述其特征,包括空间特征参数和无量纲特征参数。峰值 ,绝对平均值 ,有效的价值 ,和平方根振幅维特征参数。 是一个离散的信号序列,和上面的特征参数的计算公式见表2。
高峰值可以反映轴承故障的冲击力,冲击力越大,峰值就越大。适用于轴承表面麻点缺陷的故障诊断,尤其是在轴承故障的早期阶段;峰值非常敏感的错。绝对平均值的平方根振幅,而有效的值可以反映信号能量的大小。能量价值越大,轴承故障振动越强,更严重的故障。
峰度系数 ,脉冲的因素 ,峰值因素 ,和形状因子是无量纲特征参数。计算公式如表所示3。
峰度,标准差,是平均值。
峰度系数的比值峰度的四次方的标准差 。轴承的振动信号没有缺点满足正态分布,和峰度系数是3。轴承的峰度系数与缺点大于3。轴承故障发生时,组件与大信号的振幅增加,因为冲击脉冲的故障信号,和概率密度分布函数的两端隆起。因此,故障轴承的峰度系数大于3。峰度系数对轴承的早期故障非常敏感。
脉冲系数峰值的比值绝对平均值,从而判断是否存在影响组件的信号和有一个良好的监测对点蚀的影响,划痕和其他缺点。峰值因素是峰值的比值的有效价值,这是敏感影响振动引起的表面剥落和划痕。形状因子是有效值的比值和绝对平均价值,也有一定的监控影响轴承点蚀和磨损故障。
采取当地缺陷轴承内圈故障为例,缺陷宽度的影响,外部负载,工作速度在轴承故障信号的特征参数研究在以下段落。
4.2。缺陷宽度对轴承内圈故障信号的特征参数
考虑到旋转的速度,特征参数的变化规律的内圈故障信号缺陷宽度进行了研究。径向负载保持不变在300 N,缺陷宽度从0到2毫米,缺陷增加0.1毫米,轴承工作速度从500 r / min - 15500 r / min,转速增量是1000 r / min。
数据9(一个)∼9 (c)显示实际值的变化规律,振幅,平方根和绝对平均值与缺陷宽度。转速较低时,三个特征参数与缺陷宽度增加逐渐增加并保持不变,当缺陷宽度达到一定值。转速高时,参数不断增加。这是因为缺陷宽度的增加导致大型振幅的增加组件和故障信号的信号能量。图9 (d)显示了峰值的变化规律与缺陷宽度。在故障的早期阶段,峰值随缺陷宽度的增加。后期的错,虽然缺陷宽度继续增加,峰值并不增加,不规则波动的限制轴承本身的结构特点。从上面的分析,在轴承故障的早期阶段,空间特征参数对缺陷宽度的变化更敏感,而且没有显著差异在空间特征参数的敏感性不同速度下缺陷宽度的变化除了工作速度很低。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
数据9 (e)- - - - - -9 (h)显示峰度系数的变化规律,脉冲因素,峰值因子、和形状因子与缺陷宽度。在低速,无量纲特征参数与缺陷宽度的增加迅速增加,然后略有减少,然后保持不变;在高速度,与缺陷宽度的增加,无量纲特征参数先增加,然后逐渐减少。从无量纲特征参数的计算公式,上述变化的原因是,维特征参数的相对增长率的分子和分母无量纲特征参数是不同的与缺陷宽度的增加在不同时期的轴承故障。如表所示4首先,无量纲特征参数增加然后减少缺陷的扩张。
此外,它可以发现无量纲特征参数在低速度明显大于那些在高速度,和工作速度的增加,无量纲特征参数的速度随着缺陷宽度的增加逐渐降低。从上面的分析可以看出,在轴承的早期故障,无量纲参数对缺陷宽度的变化非常敏感,但由于轴承工作速度的增加,故障信号的统计特性改变,和无量纲参数的敏感性的变化缺陷宽度逐渐减小。在实践中,通过监测轴承振动信号的特征参数,可以预测轴承故障,轴承故障的发展趋势可以反映。
4.3。工作速度的影响内圈故障信号的特征参数
考虑到缺陷宽度、内圈的特征参数的变化规律与工作速度也研究了故障信号。外部负载为300 N,工作速度是500 r / min∼15500 r / min,速度增量为500 r / min,缺陷宽度是0∼2毫米,缺陷宽度增加为0.2毫米。缺陷宽度为0时,轴承是正常没有任何错。
数据10 ()∼10 (c)显示实际值的变化规律,平方根振幅,工作速度和绝对平均值。轴承的早期故障,参数增加缓慢的增加转速,然后保持不变;当缺陷宽度大,参数与转速的增加迅速增加。图10 (d)显示了峰值的变化规律和工作速度。当缺陷宽度小,峰值增加缓慢,然后保持不变。当缺陷宽度大,峰不规则波动。从上面可以看出,在故障的早期阶段,维特征参数对旋转速度。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
数据10 (e)- - - - - -10 (h)显示峰度系数的变化,脉冲因素,峰值因子、和形状因子的工作速度。正常轴承的无量纲特征参数基本不变。因为没有影响组件的信号,无量纲特征参数只是敏感组件故障信号的影响。轴承内圈故障,无量纲特征参数减少迅速从最初的最大值,然后保持不变。缺陷宽度越大,参数将下降越快。在实践中,可以预测轴承故障监测的变化无量纲机械设备轴承振动信号的特征参数和速度,具有一定的现实意义。
4.4。影响外部负载大小的内圈故障信号的特征参数
特征参数的变化规律与外部负载的内圈故障信号大小是最后的研究。外部负载为200 N∼1500 N,外部载荷增量为100 N,缺陷宽度是0到2毫米,缺陷增加为0.1毫米,转速8000 r / min。
数据(11日)- - - - - -11 (d)显示实际值的变化,振幅,平方根绝对平均值和峰值缺陷宽度。在不同外部载荷下,维特征参数逐渐增加。外部负载越大,参数的增加越快。当外部负载达到一定值时,承载力达到上限,参数值趋于稳定。从分析可以看出,在轴承故障的初期,多维特征参数对缺陷宽度、敏感和敏感性不同外部载荷下并不重要。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
数据11 (e)- - - - - -11 (h)显示峰度系数的变化,脉冲因素,峰值因子、和形状因子与缺陷宽度。增加第一,然后逐渐减少的参数。随着外部负载的增加,所有的参数值减少。因为外部负载的增加抑制振动和降低故障影响的无量纲参数值。
5。结论
本文使用时变位移激励函数来表示错误针对轴承内圈故障形式。然后,滚动轴承故障动态模型建立考虑时变位移激励和轴承间隙。最后,验证模型的准确度,通过比较该模型计算结果与实验结果。结论如下:(1)轴承内圈故障动态模型的建立与当地的缺陷,考虑时变位移激励和径向间隙。通过对比轴承故障试验数据,验证了本文建立的时变位移激励可以准确地模拟轴承故障激发,和轴承故障动态模型可以准确模拟轴承的故障特征。(2)在初期的轴承内圈故障,故障信号的空间特征参数对缺陷宽度,增加与敏感缺陷宽度增加。在不同的工作速度的敏感性并不重要。(3)故障信号的无量纲特征参数增加,然后降低的缺陷宽度增加。隐患,这些参数非常敏感,但随着轴承转速的增加,敏感性降低。(4)对正常轴承,工作速度增加,维特征参数增加缓慢,无量纲特征参数保持不变。初期的内圈故障,维特征参数变化缓慢而迟钝的工作速度增加,但无量纲特征参数减少迅速从最初的最大值和非常敏感。(5)内圈故障的初期,没有显著差异的敏感性维度特征参数的变化缺陷宽度在不同外部载荷。外部负载的增加减少无量纲特征参数的敏感性缺陷宽度。
本研究的努力提供一个有用的洞察力采用动态模型评估和监测轴承在航空发动机的健康状况或其他旋转机械。在未来,本文的方法也可以用于其他类型的轴承,如intershaft轴承发动机。
数据可用性
所有生成的数据或分析在本研究中包括这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个锅是由中国国家自然科学基金(批准号12172231),辽宁省自然科学基金(批准号2020 - bs - 174),研究启动经费沈阳Aerosapce大学(批准号120421004),辽宁省教育部的项目(批准号。JYT2020033和JYT2020019)。