一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，包括以下步骤：S1：根据深沟球轴承模型，建立了考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响和滚珠动态圆周运动要素的三维深沟球轴承动态解析模型；S2：在模型基础上，将保持架兜孔、柔性保持架和刚性保持架模型建立在动态轴承模型中；并分析滚道、滚珠和动不平衡负载常见故障激励源下所建立模型的动态特征；S3：将早期磨损以表面粗糙度变化的形式体现在动力学模型中；S4：建了早期微弱磨损、严重凹坑故障到轴承动态特性的完整逻辑链。本发明专利技术，建立了考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响和滚珠动态圆周运动等要素的深沟球轴承动态解析模型，具有精细化的优势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法


[0001]本专利技术涉及机械设备健康状态评估及故障诊断
，具体是一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法。

技术介绍

[0002]轴承是机械系统的关键零部件之一，其状态直接影响到机械系统的运行状态，一旦轴承出现故障，将很可能带来巨大的经济损失，甚至导致人员伤亡。机械故障特征提取、故障严重程度评估等信号处理方法是轴承故障诊断的有效途径，而这些故障诊断方法往往需要故障特征的先验知识作为理论基础。实验验证是获取故障特征先验知识的主要方法之一，但是具体轴承的实验验证往往面临成本高昂、故障参数不明确、系统干扰大等难以克服的问题，因此通过动力学建模获取仿真信号来进行故障机理分析是十分重要的方法。
[0003]轴承内部受力情况相对复杂，且故障模式多变，传统的轴承动力学模型往往通过单一故障模式来定性分析某种单一的故障特征。这种方法对于故障机理研究有一定参考性但是无法准确反映轴承与故障严重程度之间的演化作用，存在较大的改进空间。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，以解决现有技术中的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，包括以下步骤：
[0006]S1：根据深沟球轴承模型，建立了考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响和滚珠动态圆周运动要素的三维深沟球轴承动态解析模型；
[0007]S2：在模型基础上，将保持架兜孔、柔性保持架和刚性保持架模型建立在动态轴承模型中；并分析滚道、滚珠和动不平衡负载常见故障激励源下所建立模型的动态特征；
[0008]S3：将早期磨损以表面粗糙度变化的形式体现在动力学模型中；并通过表面粗糙度变化，经由混合弹流润滑影响、间接位移激励方式将故障特征辐射到滚珠滚道的径向力和摩擦力部分；
[0009]S4：建了早期微弱磨损、严重凹坑故障到轴承动态特性的完整逻辑链；基于所提出的动力学模型，定量地研究和讨论了故障深沟球轴承特征频率幅值随多重故障参数变化的演化规律。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0011]1、建立了考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响和滚珠动态圆周运动等要素的深沟球轴承动态解析模型，具有精细化的优势；在建模过程中，本专利技术详细说明滚珠滑移和混合弹流润滑影响在深沟球轴承动力学模型建立中的应用。本专利技术在此模型中引入了滚道、滚珠和动不平衡负载等故障激励源，分析了在此类常见故障模式下所建立模型的动态特征，并通过实验加以验证证明所建立模型的正确性；然后在此模型基础上，本专利技术进一步
考虑了完备的保持架几何特征，将保持架兜孔和柔性保持架建立在动态轴承模型中；分析了深沟球轴承内保持架兜孔的动态受力与内部激励。
[0012]2、许多专利技术中的故障轴承动力学模型考虑了局部故障和恒定的表面粗糙度，而忽略了故障演变对于表面粗糙度的影响。表面粗糙度会通过润滑阻尼、混合弹流润滑摩擦等因素对故障轴承内的法向力、切向力产生影响；此外，由于轴承动力学模型和故障模型的非线性影响，轴承的振动特性和故障模式之间的关系往往相当复杂；因此，本专利技术在准确全面的动力学模型中对故障的影响进行的定量分析具有独特优势。
附图说明
[0013]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0014]图1为本专利技术轴承动力学模型的总成部分；
[0015]图2为本专利技术轴承动力学模型的保持架部分；
[0016]图3为本专利技术多模式故障激励的轴承故障建模方法流程图；
[0017]图4为本专利技术在内滚道微弱早期磨损下不同磨损宽度的仿真信号对比；
[0018]图5为本专利技术在外滚道微弱早期磨损下不同磨损宽度的仿真信号对比；
[0019]图6为本专利技术在滚珠微弱早期磨损下不同磨损宽度的仿真信号对比；
[0020]图7为本专利技术在深度参数为0.1mm时bpfo幅值随宽度参数的变化；
[0021]图8为本专利技术2mm深度下bpfo幅值随故障宽度参数的变化；
[0022]图9为本专利技术实验信号与仿真信号对比。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]轴承动力学模型的示意图如下图1与图2所示，各自由刚体间通过法向与切向作用力互相影响，构成完整轴承。本专利技术使用的轴承参数如下表1和表2所示：
[0025]表1轴承参数
[0026][0027]表2轴承外部结构参数
[0028][0029][0030]在此齿轮箱参数下，齿轮箱外壳振动的特征频率如下表3所示：
[0031]表3轴承动力学模型特征频率
[0032][0033]请参阅图1
‑
9，本专利技术实施例中，一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，包括以下步骤：
[0034]S1：根据深沟球轴承模型，建立了考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响和滚珠动态圆周运动要素的三维深沟球轴承动态解析模型；
[0035]S2：在模型基础上，将保持架兜孔、柔性保持架和刚性保持架模型建立在动态轴承模型中；并分析滚道、滚珠和动不平衡负载常见故障激励源下所建立模型的动态特征；
[0036]S3：将早期磨损以表面粗糙度变化的形式体现在动力学模型中；并通过表面粗糙度变化，经由混合弹流润滑影响、间接位移激励方式将故障特征辐射到滚珠滚道的径向力和摩擦力部分；
[0037]S4：建了早期微弱磨损、严重凹坑故障到轴承动态特性的完整逻辑链；基于所提出的动力学模型，定量地研究和讨论了故障深沟球轴承特征频率幅值随多重故障参数变化的演化规律。
[0038]优选的，所述S1包括以下步骤：
[0039]S1.1：坐标系建立：首先在轴承上构建一系列的坐标系，分别是：惯性坐标系OXYZ、内圈体坐标系OIXIYIZI、外圈体坐标系OOXOYOZO、滚珠圆周运动坐标系OBXBYBZB和滚珠体坐标系ObXbYbZb；其中，轴承内圈拥有三维平动与三维转动自由度，轴承外圈仅进行三维平动，不考虑三位转动；滚珠公转坐标系根据圆柱坐标建立，绕惯性系Y轴正半轴逆时针转过的角度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：根据深沟球轴承模型，建立了考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响和滚珠动态圆周运动要素的三维深沟球轴承动态解析模型；S2：在模型基础上，将保持架兜孔、柔性保持架和刚性保持架模型建立在动态轴承模型中；并分析滚道、滚珠和动不平衡负载常见故障激励源下所建立模型的动态特征；S3：将早期磨损以表面粗糙度变化的形式体现在动力学模型中；并通过表面粗糙度变化，经由混合弹流润滑影响、间接位移激励方式将故障特征辐射到滚珠滚道的径向力和摩擦力部分；S4：建了早期微弱磨损、严重凹坑故障到轴承动态特性的完整逻辑链；基于所提出的动力学模型，定量地研究和讨论了故障深沟球轴承特征频率幅值随多重故障参数变化的演化规律。2.根据权利要求1所述的一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，其特征在于：所述S1包括以下步骤：S1.1：坐标系建立：首先在轴承上构建一系列的坐标系，分别是：惯性坐标系OXYZ、内圈体坐标系OIXIYIZI、外圈体坐标系OOXOYOZO、滚珠圆周运动坐标系OBXBYBZB和滚珠体坐标系ObXbYbZb；其中，轴承内圈拥有三维平动与三维转动自由度，轴承外圈仅进行三维平动，不考虑三位转动；滚珠公转坐标系根据圆柱坐标建立，绕惯性系Y轴正半轴逆时针转过的角度ψ
B
为圆柱坐标系的转动正方向，远离惯性系中心的方向为YB正方向，XB方向与X轴方向相同；滚珠体坐标系为固连在公转坐标系上的三维旋转坐标系，Xb初始方向与X轴正方向相同，Yb初始方向与YB相同；根据圆柱坐标，第j个滚珠公转坐标系中心在惯性坐标系下的坐标可表示为：S1.2：接触副接触点位置与速度矢。根据滚珠中心、滚珠与滚道接触点、滚道沟中心点三点共线的原则，可计算得到滚珠与滚道接触点坐标；式中和分别表示第j个滚珠中心指向外、内接触点的方向矢量；H()为半正弦轮廓的动态故障深度且滚珠局部故障中心点位置同时有速度矢：
其中滚珠旋转速度随后计算外、内圈上与滚珠接触处的位置与速度：式中外圈故障位置方向
U
E
O
＝{0,
‑
1,0}
T
、内圈故障位置方向S1.3：计算接触副法向力与摩擦力；根据已经求得的接触点坐标，可以得到各个接触位置的相对位移与速度；外、内圈的法向接触变形量为：法向相对速度为：切向相对速度为：滚珠与滚道间法向赫兹接触力为：其中k
hn
(n＝I,O)是滚珠与内外滚道赫兹接触刚度，λ()是正负判断函数：球和滚道之间的摩擦力是根据混合弹流润滑模型计算的，采用了Masjedi介绍的工程应用方法；无量纲表面粗糙度参数为：
其中σ
I
、σ
O
和σ
B
分别是轴承内滚道、外滚道和滚珠的表面粗糙度；由此根据Masjedi方法可计算得到滚珠与内外滚道的摩擦力的绝对值和至此，滚珠与滚道间作用力可由下式计算得到：其中是内圈受到的法向力，是内圈受到的摩擦力。外圈受到的法向力与摩擦力也可同理得到；S1.4：建立系统动力学方程组：模型使用滚珠间的连接弹簧模拟保持架的作用，其受力为：式中k
cc
为代表保持架作用的滚珠间圆周约束刚度；轴承内圈受到的来自滚珠的旋转力矩表示为：轴承内圈受到的来自固定面的支反力为：轴承内圈固定在圆截面轴上，根据圆截面轴抗弯刚度的计算方法，轴承内圈受到的来自轴的弯曲力矩为：式中为X轴正半轴在内圈体坐标系中的表示，D
I
表示轴承所在圆截面轴的直径；轴承外圈受到的来自固定面的支反力为：
轴承滚珠受到的来自内外圈的合力受到的合力矩为：轴承滚珠受到的陀螺力矩为：轴承受到的负载
U
L1＝F
load
·
{0,
‑
1,0}
T
作用在轴承内圈，考虑偏心后轴承内圈的动不平衡负载在体坐标系内表达为
I
L2＝m
I
e
Y
(
I
ω
Ix
)2·
{0,1,0}
T
，其中e
Y
是偏心距；将这两种负载类型整合得到以下负载表达式：式中
U
L
I
为平动负载，
I
M
LI
为转动负载；此外，轴承内圈受到驱动电机带动旋转，驱动力矩通过下式计算：
I
T
I
＝{k
c
(ω
T
t
‑
I
φ
Ix
)+c
c
(ω
T
‑
I
ω
Ix
),0,0}
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)至此故障轴承动力学模型中的受力计算完成；接下来给出模型求解的动力学微分方程组；轴承内圈平动加速度为：轴承内圈三维旋转角加速度为：式中转动惯量张量J
I
为对角阵，即J
I
＝diag(J
Ix
,J
Iy
,J
Iz
)；内圈计算转动惯量时等效为圆盘；滚珠中心的平动加速度使用圆柱坐标中表示为：滚珠旋转角加速度为：轴承外圈的平动加速度为：
式至式构成了本轴承动力学模型的微分方程组；至此轴承动力学模型已经在建立。3.根据权利要求2所述的一种考虑多模式故障激励的深沟球轴承故障动力学建模方法，其特征在于：所述S2具体包括以下步骤：S2.1：建立保持架块坐标表示与受力关系：将保持架分为多个质量块，每个滚珠前后各一保持架块，根据公转方向分为前侧与后侧；保持架块之间通过弹簧连接模拟柔性保持架圆周运动；保持架兜孔与滚...

【专利技术属性】
技术研发人员：于亦浩，石娟娟，沈长青，张馨尹，黄伟国，朱忠奎，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：