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河北华利机械配件有限公司

高速滚动轴承力学特性建模与损伤机理分析

2014/5/5 15:48:18


        滚动轴承广泛应用于航空发动机转子、高速数控机床主轴、高速列车轮对等高速旋转机械系统中, 其力学特性和运行状态对整个转子系统的精度、可靠性及寿命等具有重要的影响。在高速、高加速度等非常规工况下, 离心力、陀螺力矩、摩擦、热变形、外部载荷激励等因素显著地影响高速滚动轴承的动力学行为, 轴承内部的运动形式变得异常复杂, 滚动体与轴承内、外圈之间除了纯滚动接触外, 还伴随旋压(spinning) 和侧滑(skidding)等运动: 轴承接触角和接触载荷分布发生了显著变化, 使对高速滚动轴承的故障机理分析与故障诊断变得更加困难。
        对于关键重大装备, 早期故障诊断的意义重大, 但是反映高速滚动轴承早期故障的响应信号并不明显, 而且易受到传递路径及工作噪声等因素的干扰。故障激励与动态响应之间这种并不明显的内在关系, 使基于信号处理与特征提取的故障诊断技术遇到了新的挑战。在滚动轴承故障诊断方面, 国内外学者进行了长期的、大量的研究, 开发了基于振动、声发射等信号的故障检测与诊断技术, 印度学者Patl对滚动轴承故障诊断的研究现状进行了综述ls] 。相比故障检测技术, 滚动轴承故障建模理论及故障机理方面的研究显得尤为不足。近年来, 针对滚动轴承故障建模的研究受到国内外学者越来越多的重视。美国G M公司的cao针对调心滚子轴承建立了复杂的动力学模型, 研究了表面损伤、预紧及径向间隙等问题。
        澳大利亚学者saw al hi将时变的非线性轴承模型与齿轮模型进行集成, 仿真了轴承的局部剥落及损伤故障。南京航空航天大学的陈果教授建立了含滚动轴承故障的转子一滚动轴承一机匣祸合模型, 并研究了滚动轴承外圈、内圈及滚动体损伤的动力学建模方法伊朗学者Rafsanjani建立了滚动轴承非线性动力学模型, 给出了内圈、外圈及滚动体局部损伤的数学描述。印度学者Patel建立了深沟球轴承动力学模型, 研究了轴承内圈和外圈存在单点和多点故障时的振动响应。
        3 1第二炮兵工程学院的石林锁教授建立了滚动轴承局部故障的随机振动数学模型, 模拟轴承发生故障时的振动响应[l41。西北工业大学的王仲生教授建立了一个6 自由度故障轴承动力学模型, 该模型考虑了由轴承间隙所引起的非线性时变刚度和滚动体滑动等影响因素, 并引入单元谐振器模拟出现故障后轴承元件的高频IBI 有振动。
        上述针对滚动轴承故障动态模拟仿真的研究工作, 有助于更深入地了解轴承故障机理和特征, 在一定程度上可为滚动轴承的监测与故障诊断提供理论基础和依据。现有的滚动轴承故障模型大多没有考虑转速、工作温升、外部载荷等多参数影响, 因此模型精度需要提高; 多数针对滚动轴承故障建模的目的在于仿真损伤发生后的动力学响应,而对故障的产生机理研究不足,很少探讨轴承尤其是高速滚动轴承在运行过程中损伤的萌生与发展演化规律。本文考虑了旋转内圈离心膨胀和热膨胀变形, 对Jon es提出的滚动轴承模型进行改进, 建立了一种高速滚动轴承力学模型并进行实验验证。研究了静载荷、动态载荷及高转速等工况下滚动轴承内部接触载荷、接触位置的变化规律, 并对轴承的损伤机理和早期损伤部位进行了分析, 为高速滚动轴承的损伤识别和故障诊断提供理论依据。
        2 高速滚动轴承理论建模与模型验证
        2.1 改进的Jon e s 滚动轴承模型Jo n e s 滚动轴承模型是目前较完备的轴承力学计算模型, 但是, 它没有考虑由于工作温升和离心力导致的膨胀变形。本文在考虑离心力和陀螺力矩效应的基础上, 同时考虑了轴承径向热膨胀和内圈离心膨胀对轴承内部儿何位移的影响, 对Jon es 滚动轴承模型进行改进,使其实用性更强。
        l)七何关系分析典型的滚动轴承的儿何结构如图1 所示, 借助有限元的思想, 将滚动轴承看作有一个内圈节点和一个外圈节点组成的单元, 每个节点的运动均包含5 个自由度2个转动自由度为了便于分析, 将外圈看作是固定的。滚动轴承在高速旋转并承受载荷时, 其内圈、滚珠及外圈的几何相对位置发生改变 。当轴承承受载荷并达到平衡后, 轴承内圈和滚动体分别运动到新的位置。
        2) 受力平衡分析高速旋转状态下的角接触球轴承, 由于接触角的存在, 滚珠与轴承内圈和外圈之问的接触并非纯滚动接触, 还伴随旋压和侧滑等运动。实际中为了简化问题, 假设滚珠只在内圈或外圈其中的一个滚道上作纯滚动, 而在另一个滚道上滚动和旋压运动同时存在。考虑滚动体所受离心力和陀螺力矩, 在轴承轴线与滚珠中心构成的平个滚珠进行受力分析。
        2.2 模型验证
        1) 滚动轴承刚度验证山于滚动轴承内部的接触角、接触载荷无法测量, 不能直接验证。轴承刚度是接触载荷和变形的函数, 如果计算正确, 可认为整个模型是正确的, 因此选用刚度作为轴承模型的验证标准。选用某高速主轴系统内部的滚动轴承对理论模型进行验证, 该主轴系统内的轴承均为德国G MN 公司生产的角接触球轴承, 前端两个轴承的型一号为HYKH61914,后端三个轴承为HYKH61911,采用背靠背配置形式。将本文模型所计算的轴承刚度值同G MN 公司l20] 提供的标准刚度对比, 如表2 所示。在轻预紧、中预紧和重预紧三种情况下, 计算结果与标准值均匹配良好, 最大误差1.1%, 验证了理论模型的精度。
        2) 高速运行状态下滚动轴承动态特性验证为了研究滚动轴承在高速运行状态下的状态变化, 将高速主轴安装到某C N C 数控铣床上, 观察系统动态特性随速度变化的规律。实验过程如图4 所示。在机床坐标系中, Z 轴为主轴的轴向, X 和Y 轴分别为工作台进给方向。有刀齿的仿真刀具; 轴承预紧液压油泵的输出油压设为1O0Ps i( 等效的轴承预紧力约为17 2 8N ) 。
        利用力锤K ist le r 9 7 2 2 ( 灵敏度: 2. 13 m v 加) 激N)J , 并用激光测振仪p o lyt e e h o FV- 5 3 4测量刀尖的动态响应, 最后将力信号和振动响应信号输入模态测试软件中得到实验频率响应函数。当主轴转速为12 0 0 0 : /m in , 主轴系统中刀尖的仿真与实验频率响应函数的对比如图5( a) 和( b) 所示。
        总体来说, 虽然在实验频率响应函数中夹杂了大量的主轴转速倍频干扰,仿真与实验频率响应函数仍然能良好地匹配。刀齿的仿真刀具; 轴承预紧液压油泵的输出油压设为1O0Ps i( 等效的轴承预紧力约为17 2 8N ) 。利用力锤K ist le r 9 7 2 2 ( 灵敏度: 2. 13 m v 加) 激N)J , 并用激光测振仪p o lyt e e h o FV- 5 3 4测量刀尖的动态响应, 最后将力信号和振动响应信号输入模态测试软件中得到实验频率响应函数。当主轴转速为12 0 0 0 : /m in , 主轴系统中刀尖的仿真与实验频率响应函数的对比所示。总体来说, 虽然在实验频率响应函数中夹杂了大量的主轴转速倍频干扰,仿真与实验频率响应函数仍然能良好地匹配。
        4 高速滚动轴承损伤机理分析
        滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号的特征不同可分为磨损类故障和表面损伤类故障。一般来说, 滚动轴承工作表面磨损故障经历时间较长, 属于渐变性故障, 其危害程度较低。表而损伤类故障则包括疲劳点蚀、剥落、裂纹等形式, 当损伤点与轴承其他元件接触时, 会产生突变的冲击脉冲力, 引起系统谐振, 导致振动和噪声增大。在正常工作条件一下, 最易发生的失效形式是滚动体或内、外圈滚道上的点因承受循环变化的接触应力而出现疲劳点蚀, 使滚动轴承失效。
        5 结论
        (l) 建立了一种高速滚动轴承力学模型, 并进行了实验验证。该滚动轴承模型考虑了旋转内圈离心膨胀变形和热变形, 可以准确预测轴承接触角、接触载荷和刚度等参数。
        (2) 离心力引起的轴承内圈径向膨胀会改变轴承的动态特性。轴承内、外圈接触角随着内圈的离心膨胀量的增加而减小, 而接触载荷随着内圈的离心膨胀量的增加而增大。
        (3) 对于高速滚动轴承, 滚动体与外圈的最大接触应力和最大正交剪应力均随着速度的升高而增大, 接触载荷对外圈的疲劳破坏作用更强; 同时, 发生最大正交剪应力的深度也增加, 疲劳裂纹的发生部位变深。滚动体与内圈之间接触状态的变化趋势同外圈正好相反。

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