原创《滚动轴承外圈剥落故障双冲击特征机理建模》：这篇滚动轴承论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
摘 要： 基于Hertz理论,从滚动轴承系统内部运动状态出发,充分考虑缺陷出现后因材料剥落而引入的额外间隙,及滚动体通过损伤时的弹性接触过程和损伤对赫兹接触刚度的影响,并获取滚动体和滚道间的弹性变形曲线.通过构建相应的时变位移函数和时变接触力增量函数,并将两者和二自由度正常轴承动力学模型相结合,建立了滚动轴承外圈剥落故障双冲击特征机理模型,利用四阶变步长龙格库塔数值积分法对轴承外圈滚道局部缺陷进行动力学仿真及双冲击特性分析,仿真结果和试验信号的处理结果基本吻合.关键词： 故障诊断； 滚动轴承； 双冲击特征； 机理模型； 时变位移函数
中图分类号： TH65+.3； TH133.33文献标志码：A文章编号：10044523（2017）04067009
DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.019
引言
当轴承内圈或外圈滚道表面出现局部凹坑或剥落缺陷时,滚动体通过剥落区和其边缘接触时将引起冲击脉冲的产生[1].1991年,Epps[2]在其研究中首先指出轴承局部剥落缺陷对应的振动具有双冲击特征,即滚动体进入剥落区时其振动响应呈现出阶跃响应特征,退出剥落区过程中和其后边缘碰撞时的振动响应具有脉冲响应特征,其振动信号中对应滚动体一进一出的时刻分别称为进入点和冲击点,此两点之间的时间间隔称为冲击脉冲时间间隔；Sawalhi等[34]对滚动轴承外圈滚道剥落所引起的双冲击现象进行了较为深入的研究,并得到和Epps相近的结论：通过准确检测进入点和退出点对应的时刻,可利用时差及转速等信息估计滚道局部缺陷的尺寸,有利于对剥落损伤程度的评价.目前,国内外学者虽对滚动轴承局部缺陷机理及建模方面进行了大量研究,但大多利用单一函数位移激励或力激励表征局部缺陷所诱发的振动冲击.例如,Tandon等[5]分别利用三角形、矩形及半正弦函数作为表征不同轮廓缺陷所产生的冲击激励,研究了滚道表面局部剥落缺陷对振动频率的影响；Patil等[6]通过将半正弦函数作为内外圈滚道局部缺陷所产生的冲击激励,建立了相应的动力学模型.
1基本原理
研究中以深沟球轴承为对象,其主要承受径向载荷,所受载荷通过滚动体在内外圈滚道之间传递,而滚动体和滚道之间近似满足Hertz弹性接触理论[7],该理论提供了计算接触副之间的接触载荷和相应变形的方法.
假定外圈固定不动,内圈随着转轴旋转,且由转轴施加一垂直向下的径向力,忽略该力对轴承上半圈滚动体的影响,滚动轴承在径向载荷作用下的整体受力分析如图1所示.
图1载荷区示意图
Fig.1Loading area diagram
根据赫兹载荷变形关系,可得到滚珠和滚道之间的接触变形和载荷关系可表示为Q等于Kδn（1）式中Q表示载荷,K为接触刚度,δ为总变形量,n表示接触载荷变形系数,一般情况下,球轴承：n等于1.5[7]；在给定载荷作用下,δ可分解为滚动体分别和内外圈滚道之间的弹性变形量之和,即δ等于δi+δo（2）其中δi和δo分别表示滚动体和内圈和外圈间的变形量.而对应的总刚度K可表示为K等于1（1/Ki）1/n+（1/Ko）1/nn（3）式中Ki,Ko分别为滚动体和内、外圈滚道之间的接触刚度,具体公式可参见文献[78].
滚动体被保持架均匀地分割开.假设第i个滚珠的初始位置在0处,则在任意时间t处该滚珠的角度位置i可表示为i等于2πiZ+ωct+0（4）式中ωc为保持架转动角速度.为便于简化研究,只考虑轴承的理想运行状态,即：滚动体和接触面间为纯滚动.设轴承内圈角速度（转轴的角速度）为ω,则ωc可表示为ωc等于ω21-dD（5）式中d表示滚动体直径,D为轴承的平均直径.
根据轴承尺寸的几何关系,滚动体在载荷区域内（参照图1）所承受的载荷大小可表示为Qφ等于Qmax1-12ε1-cosφ32,φ∈φload
0,others（6）式中ε等于（1/2）（1-c/（2δmax））,是和滚动轴承间隙c及轴承径向最大偏移量δmax有关的参数.
轴承滚动体、内圈或外圈因疲劳磨损而导致金属层剥落,将使滚动体运动路径发生变化,并在载荷及运转条件下产生冲击性振动.本文以外圈滚道单一剥落坑为例,为简化研究,将该缺陷视为规则的矩形凹槽,且仅考虑缺陷宽度小于滚珠直径并和缺陷底部无接触的情况.
如图2所示,在载荷区内,当滚动体靠近缺陷处时,由于受到外力载荷的作用而发生微小的弹性变形,其球心位置相对于非载荷区有所降低；而当滚动体进入剥落区时,其球心位置相对正常滚道而言则会因滚动体掉入缺陷而降低,虽然在此过程中,滚珠和滚道之间的弹性变形会得到一定程度的恢复,但远小于故障区域内的球心位置变化；当滚动体退出剥落区并回归正常滚道时,则恢复原正常状态,这一整个过程也伴随着滚动体和内外圈滚道之间的接触力的变化.
图2滚动体经过缺陷的过程
Fig.2Process of rolling pass the defect第4期劉倩楠,等： 滚动轴承外圈剥落故障双冲击特征机理建模振 动 工 程 学 报第30卷2外圈滚道表面故障机理分析
缺陷的存在使得剥落区两边正常滚道在某一范围内（记为βzn,且以缺陷位于外圈上的角度位置作为参考）接触刚度发生改变,如图3所示.
图3滚珠和外圈之间的接触变形
Fig.3Contact deformation between ball with outer race
由图3可看出,在βzn范围内并不适用传统意义上的Hertz理论,需对此区域内的接触刚度值进行修正.当滚动体运转至βen-βzn<β<βen范围内（即滚动体靠近进入边缘）时,其与外圈滚道之间的接触刚度Ko进行修正后得到新的接触刚度Ke1为[2]Ke1=Ko1-R1+β-βenβznS（7）当滚动体逐渐远离退出边缘,即βex<β<βex+βzn时,修正后的接触刚度Ke2可表示为[2]Ke2=Ko1-R1+βex-ββznS（8）式中R为缩减因数,即在βzn范围内载荷变形接触的缩减比例数,该参数通常以百分数表示,且取R>50%；S为形状系数[2],可为任意值.随着滚动体在βzn内运转,不同位置处对应的Ke值不同.
滚动轴承论文参考资料：
结论：滚动轴承外圈剥落故障双冲击特征机理建模为关于本文可作为滚动轴承方面的大学硕士与本科毕业论文自润滑滚动轴承论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。
