一种考虑齿轮外部激励的高速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齿轮外部激励的高速深沟球轴承故障动力学建模方法，包括以下步骤：步骤1：首先使用一个考虑到相对滑移、柔性保持架和滚子独立自由度的动态高速深沟球轴承模型；步骤2：在高速轴承模型基础上，进一步考虑了齿轮外部激励的影响，建立考虑齿面点蚀等局部故障的直齿轮啮合副描述方法；步骤3：建立完备的齿轮箱动力学模型；在前两个步骤的基础上，引入齿轮啮合传动误差、驱动电机与制动器；步骤4：使用数值求解方法对微分方程组进行求解，得到系统的动态响应。本发明专利技术，可以更加全面的描述齿轮箱中各个部件的接触、润滑、故障情况等，得到更加准确的高速轴承故障特征，为故障诊断与特征提取提供更全面的理论依据。故障诊断与特征提取提供更全面的理论依据。故障诊断与特征提取提供更全面的理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑齿轮外部激励的高速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
，具体是一种考虑齿轮外部激励的高速深沟球轴承故障动力学建模方法。

技术介绍

[0002]高速轴承是铁路车辆、航空发动机和其他旋转机械的关键部件之一，其健康状况对这些机械的安全运行至关重要。故障特征提取是轴承健康状况监测的一个重要步骤，而了解故障特征是故障特征提取的先决条件。动力学模型是分析轴承故障特征的一个有效工具。然而在现实中，从齿轮箱壳体测得的振动通常是滚动轴承、齿轮啮合和齿轮箱壳体的耦合振动，这些振动受到每个接触副的接触、摩擦、润滑等的影响。因此，任何单个部件的动力学模型都不能准确反映轴承的实际振动行为，而且所产生的振动响应也不能与从齿轮箱壳体测得的振动相匹配。
[0003]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑齿轮外部激励的高速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：步骤1：首先使用一个考虑到相对滑移、柔性保持架和滚子独立自由度的动态高速深沟球轴承模型；步骤2：在高速轴承模型基础上，进一步考虑了齿轮外部激励的影响，建立考虑齿面点蚀等局部故障的直齿轮啮合副描述方法；步骤3：建立完备的齿轮箱动力学模型；在前两个步骤的基础上，引入齿轮啮合传动误差、驱动电机与制动器；通过牛顿第二定律建立完整的齿轮箱动力学微分方程组；步骤4：使用数值求解方法对微分方程组进行求解，得到系统的动态响应；分析外部齿轮激励工况下的耦合振动特征，对其多源故障响应进行分析；进一步分析高速轴承在外部齿轮激励下的滚滑特性，分析高速轴承仿真中物理变量的动态规律。2.根据权利要求1所述的一种考虑齿轮外部激励的高速深沟球轴承故障动力学建模方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1：坐标系建立：为了描述元件的运动，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：步骤1.2：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，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
、内圈故障位置方向步骤1.3：计算接触副法向力与摩擦力：根据已经求得的接触点坐标，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F
Ij
和混合弹流润滑影响的接触阻尼和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；步骤1.4：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
ꢀꢀꢀꢀ
(21)至此故障轴承动力学模型中的受力...

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