含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法。首先基于赫兹接触理论，运动运动学和动力学相关知识，综合考虑滚珠滑移、油膜刚度等影响因素建立滚动轴承5自由度非线性振动模型及其动力学微分方程组，然后根据滚珠滚过局部缺陷时滚珠接触变形会发生变化，将滚动轴承局部故障模型引入到滚动轴承动力学微分方程中，接下来根据缺陷长宽比、缺陷尺寸与滚珠尺寸比将滚动轴承单点缺陷分类，建立不同的缺陷形状函数；利用MATLAB软件中的ode求解器求解微分方程组，分别仿真出滚动轴承内圈、外圈及滚珠存在单点故障时的振动响应。该方法能够仿真出带有不同尺寸缺陷的轴承的振动响应，与传统的通过实验方法获取故障轴承振动响应的方法相比，本发明方法实验周期短同时节约实验成本。应用本方法计算的故障滚动轴承振动响应能为后期的滚动轴承故障诊断研究奠定基础。
【专利说明】含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于仿真分析领域，具体涉及到一种振动响应分析方法，特别是一种含有内圈、外圈或者滚动体单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法。
【背景技术】
[0002]滚动轴承是旋转机械中常用的通用部件，其动力学行为影响着整个系统的动力学行为，当其产生故障时，将诱发整个系统产生故障。据统计，旋转机械故障的30%是由轴承故障引起的，因此，针对滚动轴承开展状态监测和故障诊断研究对于维护设备的正常运转非常关键，但是，由于机理不清、采用技术不当和特征不明显等原因造成的误诊和漏诊扔时有发生。研究滚动轴承的故障产生与传播机理及故障监测与诊断技术具有重要的工程和理论价值。
[0003]获取轴承的响应信号是轴承故障诊断的基础和关键。传统的方法是通过人为设置故障进行实验获取振动信号或者等待生产中故障的自然发生，实验周期长、实验花费大。为了促进实际系统中变工况重载齿轮故障的诊断及预测技术的发展，建立产生与实际工况相符的特定故障滚动轴承信号的仿真模型是必要的。建立有效的轴承故障仿真工程模型，不用等待生产中故障的自然发生，可以根据需要直接产生不同种类故障，深入研究其故障机理和动态特征能为检测不同运行状态下的轴承故障提供更加精确的诊断方法。此外，故障仿真模型产生的信号还可以用来训练神经网络或者应用于支持向量机等智能诊断算法，自动识别和预测轴承故障类型，减少实际生产过程中无法获得大量故障样本的依赖性，有利于轴承故障诊断新方法的发展。
[0004]对于滚动轴承故障的机理，建立研究对象的动力学振动模型，并采用数值模拟技术展开深入研究是目前国际上普遍采用的方法。在轴承故障诊断中，滚动轴承局部表面损伤所激起的系统部件高频振动频率一般在5KHz以上，本发明在非线性赫兹接触力和径向力作用下，结合单元谐振器，通过调整其刚度和阻尼系数模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或者其它元件的高频固有振动，考虑滚珠滑移、油膜刚度等因素，建立滚动轴承的外圈、内圈及滚动体
【发明内容】
[0005]本发明为了更加精确高效并且准确的仿真滚动轴承单点故障振动响应，提出了一种单点故障滚动轴承仿真分析方法，用此方法仿真滚动轴承单点故障振动信号起到了可以仿真任何位置、任何大小故障，节约实验成本的有益效果，同时为滚动轴承复合故障仿真提供思路。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]—种含单点故障滚动轴承振动响应仿真分析方法包括以下步骤:
[0008]步骤I建立滚动轴承非线性振动模型和动力学微分方程组
[0009]基于赫兹接触理论，运用运动学和动力学相关知识，综合考虑滚珠滑移、油膜刚度和轴承非线性时变刚度等影响因素建立了 5自由度滚动轴承非线性振动模型。
[0010]步骤2将故障引入到滚动轴承非线性振动模型中
[0011]根据当滚动轴承有故障时，接触到缺陷的滚珠的接触变形会发生变化，设置一个故障开关函数，将故障引入到滚珠接触变形公式中，并根据赫兹理论，借助变形求解接触力，将接触力代入到滚动轴承动力学方程组中，完成故障的引入。
[0012]步骤3建立不同故障的故障形状函数
[0013]将所有能出现的故障情况进行分类，根据类别的不同，建立不同的缺陷形状函数来代表不同的缺陷故障。
[0014]步骤4求解微分方程组并绘制轴承振动加速度响应图
[0015]利用Matlab软件中的ode求解器，编制程序，求解微分方程，最终求得外圈、内圈、滚动体分别含单点故障的轴承振动加速度响应曲线图；
[0016]所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:所述步骤I)中考虑了滚动轴承的滚珠滑移，油膜刚度等因素，并且引入单元谐振器来模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或者其它元件的高频固有振动，这样更接近轴承实际工况。
[0017]所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:所述步骤2)中定义了一个故障开关函数，利用此函数将故障引入到滚动轴承振动模型中，完成了滚动轴承单点故障的数学表达，简单方便。
[0018]所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:所述步骤3)中根据缺陷形状的不同采用不同的缺陷函数来表示缺陷，与以往的将故障设置为一个定值相比，这样能仿真含各种形状缺陷的滚动轴承的振动响应，使仿真结果更接近工况并且不再有局限性同时更接近实际情况。
[0019]本发明的有益效果是:考虑滚珠滑移、油膜刚度等因素，引入单元谐振器，并根据缺陷尺寸的不同采用不同的缺陷函数，将缺陷通过滚珠接触变形引入到滚动轴承5自由度非线性振动模型和动力学微分方程组中，最后利用MATLAB中的ode求解器求解微分方程组，仿真滚动轴承振动响应。这为滚动轴承复合故障的机理研究奠定基础，并且为滚动轴承故障诊断算法提供数据，解决了传统的通过实验获得故障振动信号的周期长，成本高的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0021]图1为本发明所涉方法的流程图。
[0022]图2为本发明的5自由度非线性振动模型。
[0023]图3为轴承变柔度振动及载荷分布示意图。
[0024]图4为滚动轴承外圈出现单点故障时的示意图。
[0025]图5为按照不同的故障尺寸进行的故障分类情况。
[0026]图6为本发明所提出的不同故障情况下故障侧面示意图和相对应的故障形状函数。
[0027]图7为滚珠接触到缺陷时的示意图和一些几何关系。[0028]图8为以1205轴承作为具体实施例，采用本发明仿真出的外圈故障振动响应的时域图和频域图。
[0029]图9为以1205轴承作为具体实施例，采用本发明仿真出的内圈故障振动响应的时域图和频域图。
[0030]图10为以1205轴承作为具体实施例，采用本发明仿真出的滚动体故障振动响应的时域图和频域图。
【具体实施方式】
[0031]下面具体结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
[0032]图1为本发明的一种含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法的流程图。本发明的具体实施步骤如下:
[0033]步骤I建立滚动轴承非线性振动模型和动力学微分方程组
[0034]首先建立滚动轴承的5自由度非线性振动模型如图2所示，该模型左下方引入一个单元谐振器，通过调整单元谐振器的刚度和阻尼系数来模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或其它元件的高频固有振动。
[0035]基于本模型，在滚动轴承中，考虑滑移后，第j个滚珠的角位置Φ]表示为:
[0036]
【权利要求】
1.一种含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: 步骤I建立滚动轴承非线性振动模型和动力学微分方程组 基于赫兹接触理论，运用运动学和动力学相关知识，综合考虑滚珠滑移、油膜刚度和轴承非线性时变刚度影响因素建立了 5自由度滚动轴承非线性振动模型； 步骤2将故障引入到滚动轴承非线性振动模型中 根据当滚动轴承有故障时，接触到缺陷的滚珠的接触变形会发生变化，设置一个故障开关函数，将故障引入到滚珠接触变形公式中，并根据赫兹理论，借助变形求解接触力，将接触力代入到滚动轴承动力学方程组中，完成故障的引入步骤3建立不同故障的故障形状函数 将所有能出现的缺陷情况进行分类，根据类别的不同，建立不同的缺陷形状函数来代表不同的缺陷故障。 步骤4求解微分方程组并绘制轴承振动加速度响应图 利用Matlab软件中的ode求解器，编制程序，求解微分方程,最终求得外圈、内圈、滚动体分别含单点故障的轴承振动加速度响应曲线图。
2.根据权利要求1所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:上述步骤I)中考虑了 滚动轴承的滚珠滑移，油膜刚度等因素，并且引入单元谐振器来模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或者其它元件的高频固有振动，这样更接近轴承实际工况。
3.根据权利要求1所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:上述步骤2)中定义了一个故障开关函数，利用此函数将故障引入到滚动轴承振动模型中，完成了滚动轴承单点故障的数学表达，简单方便。
4.根据权利要求1所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:上述步骤3)中根据缺陷形状的不同采用不同的缺陷函数来表示缺陷，与以往的将故障设置为一个定值相比，这样能仿真含各种形状缺陷的滚动轴承的振动响应，使仿真结果更接近工况并且不再有局限性同时更接近实际情况。
5.根据权利要求1所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于:本发明的一种含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其具体实施步骤如下， 步骤I建立滚动轴承非线性振动模型和动力学微分方程组 首先建立滚动轴承的5自由度非线性振动模型，该模型左下方引入一个单元谐振器，通过调整单元谐振器的刚度和阻尼系数来模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或其它兀件的闻频固有振动； 基于本模型，在滚动轴承中，考虑滑移后，第j个滚珠的角位置(^_表示为:φ? =丄π、.丨~— + OJjU + φ、、+ C- {i).5rand) χ φ,.ι;(I)
nb 其中，1-^l , ΦC1表示保持架的初始角位置，ω。表示保持架角速度，COs
VPJ表示轴的角速度；当滚动体位于承载区时，^为+1 ;滚动体位于非承载区时，^为-1;
【文档编号】G06F17/50GK103927414SQ201410135565
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】崔玲丽, 陈雪, 张飞斌 申请人:北京工业大学