一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，首先基于冲击时间差对实测信号进行初步诊断，获得外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸。再建立轴承系统非线性动力学模型，通过数值求解获得各缺陷尺寸对应的垂‑平同步仿真振动信号。针对缺陷角位置在270°的情况，分别对实测信号及各可选缺陷尺寸时的仿真信号进行傅里叶变换获得相应的幅值谱，并求解实测信号的最小诊断参数Min|ΔfN|，进而诊断出外圈缺陷尺寸。针对缺陷角位置处于250°～290°的情况，则基于垂‑平同步标准差建立外圈缺陷全尺寸定量诊断标准数据库，通过确定实测信号垂‑平同步标准差的归属区间，进而诊断出外圈缺陷尺寸。

A full size quantitative diagnosis method for the defect of rolling bearing outer ring

The invention discloses a full scale quantitative diagnosis method for outer ring defects of rolling bearings. Firstly, based on the impact time difference, the measured signals are preliminarily diagnosed, and the basic dimensions and optional dimensions of outer ring defects are obtained. To establish the nonlinear dynamics model of bearing system, the vibration signal is obtained flat vertical synchronization simulation the corresponding defect size through numerical solution. Aiming at the location of the defect angle at 270 degrees, the corresponding amplitude spectrum is obtained by Fu Liye transformation of the measured signal and the size of the optional defect size, and the minimum diagnostic parameter Min| fN| of the measured signal is obtained, and the defect size of the outer ring is diagnosed. Aiming at the defects of angular position at 250 degrees to 290 degrees, then the vertical synchronization based on the standard deviation of flat outer defect full size quantitative diagnosis standard database, by determining the ownership of the measured signal flat vertical synchronous interval standard deviation, and then diagnosed with outer defect size.

【技术实现步骤摘要】
一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法
本专利技术公开了一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，属于轴承故障诊断

技术介绍
滚动轴承是各种机械设备中应用最广泛的零部件，其运行状态良好与否将直接关系到整台设备的安全运行。据相关统计,旋转机械故障中大约有30％是由轴承故障引起的,而滚动轴承故障中大约有90％是由外圈和内圈故障引起的。因此，研究轴承故障诊断技术对尽早发现故障，避免灾难性事故产生，保证设备正常安全有序运行具有十分重要的意义。目前轴承故障定量诊断方法主要是通过振动加速度信号中的双冲击差来估算缺陷尺寸大小。若已知外圈缺陷尺寸比滚珠角间距小即小缺陷，通过冲击时间差的方法便能够估算出缺陷尺寸的大小。但是，随着故障轴承继续运行，缺陷尺寸会不断扩展，当缺陷尺寸大于滚珠角间距即大缺陷时，缺陷尺寸之间相差n倍滚珠角间距的大小缺陷具有相同的冲击时间差。在这种情况下，仅通过冲击时间差方法进行诊断缺陷尺寸大小，将很容易混淆这些缺陷，导致将大缺陷误诊成小缺陷，又或者是将小缺陷误诊成大缺陷，使最终诊断结果不精确可靠。能够区分这些缺陷尺寸是一些行业的目标，比如铁路行业，为了使轴承充分利用又确保安全，轴承一旦出现微小缺陷并不会马上更换而是随着缺陷的逐渐扩展直到缺陷达到一定的尺寸，这个尺寸通常比滚珠角间距大；此时，应用冲击时间差技术将无法正确诊断出外圈缺陷尺寸。为避免由于误诊导致不可估量的损失以及克服原有诊断方法的不足，使得诊断结果准确方便有效，因此，解决如何快速、准确地区分出尺寸相差滚珠角间距整数倍的缺陷问题具有重要的理论分析和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有诊断方法存在的不足，避免上述误诊问题的继续发生而导致不可估量性的灾难后果，同时确保诊断故障轴承外圈缺陷尺寸结果准确有效。本专利技术首先根据实测信号初步获得缺陷可选尺寸，再通过与实际工况相符的轴承模型仿真不同尺寸下的振动加速度结果，基于数据结果的对比研究与统计，提出了一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，采用此方法进行诊断的故障轴承外圈缺陷尺寸结果是非常准确有效的。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，该方法包括以下步骤：步骤1初步诊断滚动轴承外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸，将一对振动加速度传感器分别安装至轴承座的水平测点和垂直测点，测取轴承系统含故障时的垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)；将垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)导入至计算机，绘制垂直方向振动加速度信号ay(t)的时域波形图，以时域波形图中的低频冲击点为起点，高频冲击点为终点，量取双冲击时间间隔ΔT，则诊断出外圈缺陷的基本尺寸Δφb为：Δφb＝360ΔTfc(1)其中，fc为保持架转频，初步诊断外圈缺陷的n个可选尺寸为：其中Nb为滚珠数量，n＝0,1,2,...,INT[(0.33-ΔTfc)Nb]；步骤2建立含外圈缺陷轴承系统多自由度非线性动力学模型，将轴承系统分解为轴、轴承内圈、滚动体、保持架、轴承外圈和轴承座；将轴与内圈表示为一个集中质量的刚体mi，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟轴与内圈的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为kix和cix，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为kiy和ciy；将轴承座与外圈表示为一个集中质量的刚体mo，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟外圈与轴承座的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为kox和cox，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为koy和coy；以水平向右为起始位置，按逆时针顺序对滚珠进行编号，并以符号j表示滚珠的编号，则第j颗滚珠处的赫兹接触力Fj表示为：其中K为赫兹接触刚度；δj为第j颗滚珠的接触变形；外圈缺陷有效深度轮廓d(φj)表示为：其中φf为外圈缺陷的角位置，h为缺陷深度，rb为滚珠半径，Ro为外滚道半径，Δφp为缺陷展开角，φj为第j颗滚珠的角位置；将外圈缺陷模型添加到轴承系统动力学模型中，推导出系统的动力学微分方程组。步骤3仿真滚动轴承外圈缺陷角位置φf＝270°时轴承系统振动加速度和固有频率，由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，基于MATLAB软件编制数值求解程序，获得φf＝270°时可选尺寸Δφn对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a'y,n(t)和a'x,n(t)，以及前四阶有阻尼时变固有频率：两个x方向固有频率ωx1,n(t)、ωx2,n(t)，两个y方向固有频率ωy1,n(t)、ωy2,n(t)；对a'y,n和a'x,n进行傅里叶变换，获得幅值谱A'x,n(f)和A'y,n(f)；在幅值谱A'x,n(f)中，分别找出固有频率ωx1,0(t)和ωx2,0(t)附近的频率峰值f'x1,n和f'x2,n；在幅值谱A'y,n(f)中，分别找出固有频率ωy1,0(t)和ωy2,0(t)附近的频率峰值f'y1,n和f'y2,n；步骤4诊断角位置φf＝270°处的滚动轴承外圈缺陷尺寸，若已知缺陷角位置φf＝270°，则将步骤1中的实测垂-平同步信号进行傅里叶变换，获得实测垂-平同步信号的幅值谱Ax(f)和Ay(f)；在幅值谱Ax(f)中，分别找出固有频率ωx1,0(t)和ωx2,0(t)附近的频率峰值fx1和fx2；在幅值谱Ay(f)中，分别找出固有频率ωy1,0(t)和ωy2,0(t)附近的频率峰值fy1和fy2；计算诊断参数Δfn：由公式(5)求解出|Δfn|取最小值时n的取值nf，则诊断外圈缺陷尺寸为：步骤5诊断缺陷角位置φf＝250°～290°时的滚动轴承外圈缺陷尺寸，若未知缺陷的角位置φf，则根据步骤3中所求解的φf＝270°时可选尺寸Δφn对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a'y,n(t)和a'x,n(t)，计算最大垂-平同步标准差：其中，N为数据点数；再由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，仿真求解φf＝250°时可选尺寸Δφn对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a”y,n(t)和a”x,n(t)，并计算最小垂-平同步标准差：建立外圈缺陷全尺寸定量诊断标准数据库：该数据库包含n个不相交的区间；计算实测含故障信号的垂-平同步标准差：由公式(9)和(10)的计算结果，确定σy/x的归属区间，设此区间对应的n的取值为Nr，则诊断出外圈缺陷尺寸为：本专利技术的有益效果是：建立了与实际工况相符合的故障轴承系统多自由度非线性动力学模型，提出了一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，由该方法即可准确地诊断出实测信号的外圈全尺寸缺陷，同时避免了目前仅通过冲击时间差的方法估算轴承外圈缺陷尺寸而出现的误诊问题，具有重要的实际应用价值，也满足了经济发展的迫切需求并推动着轴承诊断行业的发展。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是本专利技术测取的待诊断轴承系统的振动加速度信号；图3是本专利技术含外圈缺陷的轴承系统多自由度非线性动力学模型；图4是本专利技术含外圈缺陷的轴承系统仿真振动加速度图；具体实施方式下面具体结合附图与实施例对本专利技术的诊断方法进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。如图1所示，是本专利技术的一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法的工作流程图。详细的步骤如下。步骤1初步诊断滚动轴承外圈缺陷的基本尺寸和可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，步骤1初步诊断滚动轴承外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸，将一对振动加速度传感器分别安装至轴承座的水平测点和垂直测点，测取轴承系统含故障时的垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)；将垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)导入至计算机，绘制垂直方向振动加速度信号ay(t)的时域波形图，以时域波形图中的低频冲击点为起点，高频冲击点为终点，量取双冲击时间间隔ΔT，则诊断出外圈缺陷的基本尺寸Δφb为：Δφb＝360ΔTfc  (1)其中，fc为保持架转频，初步诊断外圈缺陷的n个可选尺寸为：

【技术特征摘要】
1.一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，步骤1初步诊断滚动轴承外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸，将一对振动加速度传感器分别安装至轴承座的水平测点和垂直测点，测取轴承系统含故障时的垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)；将垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)导入至计算机，绘制垂直方向振动加速度信号ay(t)的时域波形图，以时域波形图中的低频冲击点为起点，高频冲击点为终点，量取双冲击时间间隔ΔT，则诊断出外圈缺陷的基本尺寸Δφb为：Δφb＝360ΔTfc(1)其中，fc为保持架转频，初步诊断外圈缺陷的n个可选尺寸为：其中Nb为滚珠数量，n＝0,1,2,...,INT[(0.33-ΔTfc)Nb]；步骤2建立含外圈缺陷轴承系统多自由度非线性动力学模型，将轴承系统分解为轴、轴承内圈、滚动体、保持架、轴承外圈和轴承座；将轴与内圈表示为一个集中质量的刚体mi，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟轴与内圈的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为kix和cix，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为kiy和ciy；将轴承座与外圈表示为一个集中质量的刚体mo，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟外圈与轴承座的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为kox和cox，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为koy和coy；以水平向右为起始位置，按逆时针顺序对滚珠进行编号，并以符号j表示滚珠的编号，则第j颗滚珠处的赫兹接触力Fj表示为：其中K为赫兹接触刚度；δj为第j颗滚珠的接触变形；外圈缺陷有效深度轮廓d(φj)表示为：其中φf为外圈缺陷的角位置，h为缺陷深度，rb为滚珠半径，Ro为外滚道半径，Δφp为缺陷展开角，φj为第j颗滚珠的角位置；将外圈缺陷模型添加到轴承系统动力学模型中，推导出系统的动力学微分方程组；步骤3仿真滚动轴承外圈缺陷角位置φf＝270°时轴承系统振动加速度和固有频率，由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，基于MATLAB软件编制数值求解程序，获得φf＝270°时可选尺寸Δφn对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a'y,n(t)和a'x,n(t)，以及前四阶有阻尼时变固有频率：两个x方向固有频率ωx1,n(t)、ωx2,n(t)，两个y方向固有频率ωy1,n(t)、ωy2,n(t)；对a'y,n和a'x,n进行傅里叶变换，获得幅值谱A'x,n(f)和A'y,n(f)；在幅值谱A'x,n(f)中，分别找出固有频率ωx1,0(t)和ωx2,0(t)附近的频率峰值f'x1,n和f'x2,n；在幅值谱A'y,n(f)中，分别找出固有频率ωy1,0(t)和ωy2,0(t)附近的频率峰值f'y1,n和f'y2,n；步骤4诊断角位置φf＝270°处的滚动轴承外圈缺陷尺寸，若已知...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔玲丽，黄金凤，张飞斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11