一种空间滚动轴承磨损状态评估方法技术

本发明专利技术属于旋转机械部件磨损程度评估技术领域，具体公开了一种空间滚动轴承磨损状态评估方法，包括以下步骤：步骤一：建立空间滚动轴承动力学模型；1)空间滚动轴承的刚度与阻尼求解；2)空间滚动轴承钢球‑滚道接触副的相互作用力求解；3)空间滚动轴承的动力学建模及计算；4)求出空间滚动轴承的振动频谱；步骤二：确定振动频谱中的磨损频率；1)建立空间滚动轴承磨损模型；2)仿真分析；3)求出磨损频率；4)确定振动频谱中哪部分为磨损频率，根据振动频谱中磨损频率的幅值判断空间滚动轴承是处于哪个磨损阶段。使用本发明专利技术申请的评估方法，可对空间滚动轴承的磨损状态实现较为精准的预测。

【技术实现步骤摘要】
一种空间滚动轴承磨损状态评估方法
本专利技术属于旋转机械部件磨损程度评估
，尤其涉及一种空间滚动轴承磨损状态评估方法。
技术介绍
随着我国空间技术的发展，对卫星及星上有效载荷的可靠性及寿命提出了更为苛刻的要求。转动部件是星上遥感仪器重要部件之一，但由于其无法备份和更换，转动部件的可靠性和寿命直接影响整星和星上有效载荷的实际寿命，属于单点失效问题。在某种程度上，运动部件的故障是属于成败型的故障模式，而轴承元件是转动部件的核心零部件，轴承的失效直接影响转动部件的正常工作。空间机械多用滚动轴承，因此，研究如何评估空间机械用滚动轴承的磨损寿命状态是一个长远性的有实际意义和学术意义的研究课题。在美国、欧洲、日本的有关空间研究部门中都有专门研究空间机械的轴承及润滑方面的研究室，如：美国宇航局的路易斯研究中心、欧洲空间摩擦学研究室、日本科学技术厅的航空宇宙研究所润滑研究等。目前，国内外航天机构大多以摩擦力矩为导向，通过摩擦力矩测试数据的分析探讨了空间滚动轴承的性能，摩擦力矩虽能敏感的反映空间滚动轴承的部分失效信息，但不能实现轴承精度失效状态的预判，也无法进一步地实现对轴承磨损状态的评估。温度测试也应用于空间滚动轴承的性能测试中，但由于轴承温度容易受环境温度影响，通过温度测试得出的结论往往与实际相差较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种空间滚动轴承磨损状态评估方法，对空间滚动轴承磨损状态实现较为精准的预测。为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种空间滚动轴承磨损状态评估方法，包括以下步骤：步骤一：建立空间滚动轴承动力学模型，揭示空间滚动轴承的振动属性1)求解空间滚动轴承的刚度与阻尼求出轴承的总刚度矩阵和总阻尼矩阵为：式中，α为空间滚动轴承的初始接触角；2)求解空间滚动轴承钢球-滚道接触副的相互作用力对于滚动轴承中滚珠与滚道之间的接触区内任一点P(x0,y0)相对于滚珠几何中心的位置向量可表示为：其中，R′为轴承运行一段时间后的接触曲率半径；在接触坐标系中，在P点处套圈和滚珠的速度分别为：其中：Rp＝rp+rb-rr套圈在P点相对于滚珠的相对滑动速度为：滚珠与套圈之间有一定的摩擦作用，其中起关键作用的为油膜阻尼：式中，γ为接触表面纹理参数，k＝a/b为椭圆参数，c1～c10为回归参数，Λ为油膜参数；其中σr、σb分别为滚珠与滚道的表面粗糙度；hc为接触区的油膜厚度；接触面还受滞后阻尼的影响，其粘滞阻尼系数为：式中，αe为与轴承恢复系数相关的系数，对于碳钢材料，αe＝0.08～0.32s/m；通过上述各参数，可得出滚珠在接触点处所受到的法向作用力为：滚动轴承的等效摩擦系数为：μ＝μbdqbd+μhd(1-qbd)其中，μbd为边界润滑拖动系数，qbd为接触表面微凸体所承受的负载比例，μhd为摩擦拖动系数，qbd为粗糙表面微凸体所承受的负荷比例；通过已知摩擦系数与接触作用力，可求得摩擦拖动力为:Tbr＝μ|Fbrn|将摩擦拖动力分为两个方向，即长半轴与短半轴方向：Tbrx＝-TbrsinθTbry＝Tbrcosθ其中，为滚道相对滚珠速度向量的两个分量；在椭圆接触坐标系中，滚珠所受的摩擦力向量矩阵为:在惯性坐标系中，滚道受滚珠的作用力向量为:3)空间滚动轴承的动力学建模确定了轴承的质量矩阵，刚度矩阵、阻尼矩阵和载荷矩阵可建立球轴承的振动微分方程，球轴承的振动微分方程:4)求出空间滚动轴承的振动频谱振动微分方程为非齐次二阶线性方程，其振动响应可以叠加，不同的激振力和线性响应叠加后可以得到总的响应；根据傅里叶变换将F(t)转换为F(ω)，通过振动微分方程求出系统传递函数H(ω)，根据这个公式得到空间滚动轴承的振动频谱；步骤二：确定振动频谱中的磨损频率1)建立空间滚动轴承磨损模型建立轴承的坐标系统，分别为轴承惯性直角坐标系(OXYZ)、惯性圆柱坐标系(Xrθ)、球的方位坐标系(Oaxayaza)、套圈定体坐标系(Orxryrzr)、局部接触坐标系(Ocxcyczc)；Archard模型中，接触体积的磨损率表示为：其中，r为圆的粘着半径，L为磨损的滑动位移量，σS为屈服极限，接触表面所承受的载荷为F＝πr2σs，根据接触面所磨损的材料，其所磨损体积不同，对于弹性材料，σS≈H/3，则接触体积的磨损率应为：考虑空间滚动轴承的接触区所体现的运动状态，以接触处的滑动速度和接触压力体现磨损的程度，磨损率模型表示为：依照Archard模型，接触体积的磨损率模型为：通过磨损深度评判空间滚动轴承的磨损程度，固体润滑薄膜的磨损率为体积磨损率除以磨损面积，式为:内外圈沟道的磨损面积分别为:2)仿真分析通过四阶变步长龙格库塔的方法对动力学方程进行数值积分，仿真的约束条件为外圈固定，内圈旋转；确定空间滚动轴承滚珠个数、滚珠直径、节圆直径、沟曲率半径、初始接触接触角、外滚道直径、内滚道直径，对轴承的轴向加载固定的力，将内圈转速设为固定值；通过上述给定的工况，得到滚珠与滚道之间的磨损深度随时间的变化规律；3)通过傅里叶变换得出磨损频率通过上述步骤已经得出磨损时间对磨损深度的影响，据此可得出磨损的时域信号，通过傅里叶变换将磨损的时域信号的转换为磨损频率；4)根据上述求解得到的磨损频率,确定步骤二第4)步得到的振动频谱中哪部分为磨损频率，根据振动频谱中磨损频率的幅值判断空间滚动轴承是处于哪个磨损阶段。本基础方案的有益效果在于：本专利技术申请提出基于轴承动力学振动模型结合改进轴承磨损模型的空间滚动轴承运行状态评估研究方案，能够对空间滚动轴承的磨损状态实现有效的评估，而且采用本评估方法磨损状态的评估较为精准。进一步，步骤二1)空间滚动轴承的刚度与阻尼求解具体包括以下步骤：在空间滚动轴承中，滚道与滚珠之间的油膜厚度要比轴承尺寸小得多在法向接触载荷作用下滚珠沿Y轴滚动时，根据弹流润滑理论中描述润滑剂状态的雷诺方程，可表示为：且边界条件为：式中，p＝p(x,y,t)为油膜压力，h＝h(x,y,t)为油膜厚度，η＝η(x,y,t)为润滑剂的动力粘度，ρ＝ρ(x,y,t)为润滑剂的密度，υx为接触物体表面速度之和，S为接触区域；利用summerfeld条件化简，可得到滚珠与滚道之间的接触刚度和接触阻尼：其中，sc为滚珠与滚道之间的Hertz接触刚度，sf为Hertz接触区的油膜刚度；当滚珠与内外滚道都接触时，滚珠两端形成两个接触副。根据复合刚度方程式可以求得阻尼和接触刚度为：式中，R(ω)和I(ω)分别为：式中，i、o分别表示内外套圈，ω表示旋转频率；当空间轴承同时具有轴向力与力矩载荷时，轴承滚珠与保持架有六个自由度，内圈有五个自由度：内圈质心在径向YZ平面的平动、绕X轴的转动、绕Y轴和Z轴的倾斜，其中绕Y轴、Z轴的倾斜为固定值。滚珠的角位置为ψj，其中j(j＝1,2…Z)，通过上述的推论，可求出轴承的总刚度矩阵和总阻尼矩阵为：进一步，还包括步骤四，将通过仿真获取的空间滚动轴承振动属性与采集的地面模拟真空环境轴承振动数据进行特征对比分析，确定方法的有效性。增设步骤四，可验证本专利技术申请空间滚动轴承磨损状态评估方法的准确性、可靠性。附图说明图1是空间滚动轴承的坐标系统；图2是空间滚动轴承润滑膜磨损深度随时间的变化规律；图3是空间滚动轴承振动加速度幅频特性；图4是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间滚动轴承磨损状态评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立空间滚动轴承动力学模型，揭示空间滚动轴承的振动属性1)求解空间滚动轴承的刚度与阻尼求出轴承的总刚度矩阵和总阻尼矩阵为：

【技术特征摘要】
1.一种空间滚动轴承磨损状态评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立空间滚动轴承动力学模型，揭示空间滚动轴承的振动属性1)求解空间滚动轴承的刚度与阻尼求出轴承的总刚度矩阵和总阻尼矩阵为：式中，α为空间滚动轴承的初始接触角；2)求解空间滚动轴承钢球-滚道接触副的相互作用力对于滚动轴承中滚珠与滚道之间的接触区内任一点P(x0,y0)相对于滚珠几何中心的位置向量可表示为：其中，R′为轴承运行一段时间后的接触曲率半径；在接触坐标系中，在P点处套圈和滚珠的速度分别为：其中：Rp＝rp+rb-rr套圈在P点相对于滚珠的相对滑动速度为：滚珠与套圈之间有一定的摩擦作用，其中起关键作用的为油膜阻尼：式中，γ为接触表面纹理参数，k＝a/b为椭圆参数，c1～c10为回归参数，Λ为油膜参数；其中σr、σb分别为滚珠与滚道的表面粗糙度；hc为接触区的油膜厚度；接触面还受滞后阻尼的影响，其粘滞阻尼系数为：式中，αe为与轴承恢复系数相关的系数，对于碳钢材料，αe＝0.08～0.32s/m；通过上述各参数，可得出滚珠在接触点处所受到的法向作用力为：滚动轴承的等效摩擦系数为：μ＝μbdqbd+μhd(1-qbd)其中，μbd为边界润滑拖动系数，qbd为接触表面微凸体所承受的负载比例，μhd为摩擦拖动系数，qbd为粗糙表面微凸体所承受的负荷比例；通过已知摩擦系数与接触作用力，可求得摩擦拖动力为:Tbr＝μ|Fbrn|将摩擦拖动力分为两个方向，即长半轴与短半轴方向：Tbrx＝-TbrsinθTbry＝Tbrcosθ其中，为滚道相对滚珠速度向量的两个分量；在椭圆接触坐标系中，滚珠所受的摩擦力向量矩阵为:在惯性坐标系中，滚道受滚珠的作用力向量为:3)空间滚动轴承的动力学建模确定了轴承的质量矩阵，刚度矩阵、阻尼矩阵和载荷矩阵可建立球轴承的振动微分方程，球轴承的振动微分方程:4)求出空间滚动轴承的振动频谱振动微分方程为非齐次二阶线性方程，其振动响应可以叠加，不同的激振力和线性响应叠加后可以得到总的响应；根据傅里叶变换将F(t)转换为F(ω)，通过振动微分方程求出系统传递函数H(ω)，根据这个公式得到空间滚动轴承的振动频谱；步骤二：确定振动频谱中的磨损频率1)建立空间滚动轴承磨损模型建立轴承的坐标系统，分别为轴承惯性直角坐标系(OXYZ)、惯性圆柱坐标系(Xrθ)、球的方位坐标系(Oaxayaza)、套圈定体坐标系(Orxryrzr)、局部接触坐标系(Ocxcyczc)；Archard模型中，接触体积的磨损率表示为：其中，r为圆的粘着半径，L为磨损的滑动位移量，σS为屈服极限，接触表面所承受的载荷为F＝πr2σs，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：董绍江，牟小燕，贺坤，王军，陈里里，陈仁祥，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50