一种高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法，其特征在于，包括下述步骤：1）建立高速角接触球轴承动力学模型；2）对高速角接触球轴承损伤故障进行建模；3）损伤模型与高速角接触球轴承动力学模型相融合，建立高速角接触球轴承损伤故障动力学模型；4）进行数值求解，得到故障情况下轴承的动力学响应，实现高速角接触球轴承损伤故障的动力学分析。本发明考虑了轴承元件三维运动、相对滑动及润滑牵引效应，并从相互趋近量、赫兹接触刚度、接触载荷作用线三个角度对损伤故障进行了全面建模，提高了分析精确性，为高速角接触球轴承损伤故障动力学研究提供一种更为精确的分析方法。
【专利说明】一种高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高速(轴承转速大于等于10000r/min)角接触球轴承损伤故障的分析方法。
【背景技术】
[0002]高速角接触球轴承已经广泛地应用于高档数控机床、航空发动机等重要设备中，其损伤故障的产生将导致设备性能退化、运转精度降低，威胁运行安全。如何及时诊断出此类轴承早期、微弱故障以避免重大安全事故的发生仍然是困扰当今企业的一个难题。目前，滚动轴承的故障诊断研究基本上均是从反问题入手，缺乏相应故障机理研究的支撑。损伤故障的动力学分析是滚动轴承故障机理研究的一个重要手段。通过对具有损伤故障的滚动轴承进行动力学分析，可以得到轴承振动响应与故障模式之间的对应关系，进而可对轴承故障识别、定量诊断、运行可靠性评估、寿命预测等应用问题提供理论支撑和依据。
[0003]近年来，滚动轴承损伤故障动力学分析得到了国内外学者的广泛关注，多数研究都是采用滚动轴承的平面运动模型，利用非线性弹簧处理滚球和滚道之间的接触问题。印度的 Patel V N 等(Patel V N, Tandon N, Pandey R K.A dynamic model for vibrationstudies of deep groove ball bearings considering single and multiple defectsin races[J].ASME Transactions on Journal of Tribology，2010，132(4):041101)建立了滚动球轴承的平面运动动力学方程对单点和多点损伤进行了分析。该模型中考虑了套圈和基座之间的相互作用，其中内圈、基座及滚球均具有2个自由度，损伤通过在滚球和滚道之间的相对趋近量上引入额外的位移来模拟；斯洛文尼亚的Tadina M等(TadinaM, BolteZ ar M.1mproved model of a ball bearing for the simulation of vibrationsignals due to faults during run-up[J].Journal of Sound and Vibration, 2011, 330(17):4287-4301.)使用拉格朗日方程对内圈和滚球进行了建模，通过曲面梁单元对外圈进行了离散化以考虑外圈的柔性变形，并且考虑了因损伤故障而引入的滚道几何特性的改变对赫兹接触刚度的影响。国内，西安交通大学的袁幸等(袁幸，朱永生，洪军，张优云.滚动轴承损伤的完备预测模型与GID评估[J].振动与冲击，2011，30 (9):35-39.)通过将滚球一套圈一支座的接触问题考虑为非线性赫兹接触建立了故障滚动轴承的平面运动模型，利用所引入的额外位移对损伤进行建模；石家庄军械工程学院的关贞珍等(关贞珍，郑海起，王彦刚，杨杰.滚动轴承局部损伤故障动力学建模及仿真[J].振动、测试与诊断，2012，32(6):950-955，1036)构建了故障滚动轴承一转子系统的平面运动动力学模型，其中滚动轴承具有4个平动自由度，损伤通过引入额外的位移来模拟。
[0004]从以上检索发现，现有文献所采用的轴承动力学模型均不完善，没有综合考虑各个轴承元件的三维运动以及相对滑动、润滑牵引等高速角接触球轴承所表现出的复杂动力学现象，因此无法准确模拟故障出现后各轴承元件的瞬时运动特性。另外，由于故障的出现，滚球和滚道之间的接触特性会发生改变，这主要表现在:故障会引起滚球和滚道之间的趋近量在原有的弹性接触位以上再增加由于材料确实而引入的额外位移；故障的出现会导致损伤区域的几何特性发生改变，从而导致赫兹接触关系发生改变；在损伤区域，滚球/滚道接触载荷的作用线会发生变化。然而，目前的研究均没有完整地考虑如上的几个问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种更为精确的高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法，该方法考虑了轴承元件三维运动、相对滑动及润滑牵引等高速效应，并从相互趋近量、赫兹接触刚度、接触载荷作用线三个个角度对损伤故障进行了全面建模，使该模型能够精确地模拟高速角接触球轴承出现损伤故障后各轴承元件的瞬时动力学特性，得到故障模式和轴承振动响应之间的对应关系。
[0006]为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0007]—种高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法，其特征在于，包括下述步骤:
[0008](I)考虑三维运动、相对滑动、润滑牵引高速效应，基于GUPTA轴承模型建立高速角接触球轴承的动力学模型；其中，所述润滑牵引力的计算方法是:根据相对滑动速度的方向确定接触区域的纯滚动点个数，并根据纯滚动点的个数将接触椭圆划分成若干滑动区间，每个滑动区间中的相对滑动速度方向一致；根据所采用的数值积分的方法和阶数，确定每个滑动区间中数值积分点的位置；利用Chittenden弹流润滑模型计算每个积分点处的油膜厚度，进而得到油膜阻尼；利用已经计算出的油膜厚度，采用非牛顿流体润滑理论确定每个积分点处剪切应力；最后，将剪切应力在整个接触椭圆上进行积分得到接触区域的润滑牵引力；
[0009](2)从相互趋近量、赫兹接触刚度、接触载荷作用线三个方面对高速角接触球轴承建立损伤故障的损伤模型；具体过程是:`
[0010]I)当滚球进入损伤区域后，滚球与滚道之间的相互趋近量δ '为正常情况下的弹性变形量δ与损伤所导致的滚道材料缺失的深度δ d的差:
[0011]δ ' = δ - δ d
[0012]2)损伤导致滚道表面曲率发生改变，从而导致滚球和滚道之间的赫兹接触系数发生变化，计算方法为:
[0013]
【权利要求】
1.一种高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法，其特征在于，包括下述步骤: (1)考虑三维运动、相对滑动、润滑牵引高速效应，基于GUPTA轴承模型建立高速角接触球轴承的动力学模型；其中，所述润滑牵引力的计算方法是:根据相对滑动速度的方向确定接触区域的纯滚动点个数，并根据纯滚动点的个数将接触椭圆划分成若干滑动区间，每个滑动区间中的相对滑动速度方向一致；根据所采用的数值积分的方法和阶数，确定每个滑动区间中数值积分点的位置；利用Chittenden弹流润滑模型计算每个积分点处的油膜厚度，进而得到油膜阻尼；利用已经计算出的油膜厚度，采用非牛顿流体润滑理论确定每个积分点处剪切应力；最后，将剪切应力在整个接触椭圆上进行积分得到接触区域的润滑牵引力； (2)从相互趋近量、赫兹接触刚度、接触载荷作用线三个方面对高速角接触球轴承建立损伤故障的损伤模型；具体过程是: 1)当滚球进入损伤区域后，滚球与滚道之间的相互趋近量δ丨为正常情况下的弹性变形量S与损伤所导致的滚道材料缺失的深度S d的差:
δ ' = δ - δ d 2)损伤导致滚道表面曲率发生改变，从而导致滚球和滚道之间的赫兹接触系数发生变化，计算方法为:
2.如权利要求1所述的高速角接触球轴承损伤故障的动力学方法，其特征在于，所述步骤(3)的损伤故障动力学模型建立过程中，设ΘΜ为滚球角位置与损伤中心位置的差值，在任意时刻t的角度差值Θ bd表示为:
【文档编号】G06F19/00GK103500268SQ201310403731
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】何正嘉, 牛蔺楷, 曹宏瑞, 訾艳阳, 陈雪峰, 李兵, 张周锁 申请人:西安交通大学