基于ANSYS/LS-DYNA的鐵路貨車(chē)缺陷軸承振動(dòng)特性研究

朱愛(ài)華，朱成九

ZHU Ai-hua1 , ZHU Cheng-jiu2

（1.華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013；2.華東交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)展對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)和噪聲的研究[1～4]。劉壽祥等通過(guò)對(duì)LM11949/10、NU211等軸承零件作單因素交叉試驗(yàn)和對(duì)國(guó)外同型號(hào)產(chǎn)品振動(dòng)對(duì)比分析，找出了圓錐滾子軸承各零件對(duì)軸承振動(dòng)的影響規(guī)律，得出滾子波紋度是影響軸承振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度高頻檔的主要因素[5]。夏新濤等以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方法研究了軸承振動(dòng)與噪聲的關(guān)系[6]。1982年，鄧聚龍創(chuàng)立灰色系統(tǒng)理論，以小樣本、貧信息不確定性系統(tǒng)作為研究對(duì)象，從已知信息中提取有價(jià)值的信息，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)行為和規(guī)律的預(yù)測(cè)和控制[7,8]。劉勁軍、夏新濤和張立紅利用灰色系統(tǒng)理論研究影響圓錐滾子軸承振動(dòng)的影響因素，得出滾子凸度和滾子直徑偏差等參數(shù)對(duì)滾子軸承振動(dòng)影響最大[9]。本文在其基礎(chǔ)上，利用ANSYS/LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)，建立軸承主要元件如內(nèi)、外圈及滾子的點(diǎn)缺陷模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究軸承主要元件有點(diǎn)缺陷時(shí)對(duì)振動(dòng)的影響及振動(dòng)特征，找出判斷依據(jù)。

1 點(diǎn)缺陷及軸承有限元模型

滾子軸承會(huì)因疲勞、裂紋、壓痕、膠合等失效形式引起滾動(dòng)體和內(nèi)、外圈表面剝落,這是滾動(dòng)軸承常見(jiàn)的故障。表面剝落所形成的點(diǎn)缺陷惡化會(huì)導(dǎo)致整個(gè)軸承的故障甚至報(bào)廢[10]。

內(nèi)、外圈和滾子的點(diǎn)缺陷模型是在正常軸承353130B模型[11～16]的基礎(chǔ)上通過(guò)引人“人工點(diǎn)缺陷”建立的。在內(nèi)、外圈和滾子承載區(qū)分別構(gòu)造1個(gè)凹坑，點(diǎn)缺陷半徑約1mm，深度為2mm，形狀為球冠[17～19]，如圖1所示。

軸承材料均為硬度較大的鋼材，塑性變形相對(duì)彈性變形幾乎可忽略不計(jì)，因此假設(shè)軸承材料為各向同性的線(xiàn)彈性材料，密度為7800kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。實(shí)際工況中，外圈固定在軸承基座上，因此將外圈全部約束，約束施加在外圈外表面節(jié)點(diǎn)上，由于所選單元SOLID164沒(méi)有旋轉(zhuǎn)自由度，只有平移自由度，所以只需約束x、y和z方向的平動(dòng)即可。軸承的載荷通過(guò)轉(zhuǎn)軸作用在內(nèi)圈上，因此將轉(zhuǎn)速加載在內(nèi)圈內(nèi)表面剛體上，徑向荷載施加在內(nèi)表面剛體的軸線(xiàn)上。

材料參數(shù)和邊界條件均采用正常模型的參數(shù)，內(nèi)、外圈和滾子點(diǎn)缺陷模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。在ANSYS/LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)中，分析軸承各元件分別有點(diǎn)缺陷時(shí)對(duì)軸承振動(dòng)的影響，通過(guò)計(jì)算得到，正常軸承、滾子點(diǎn)缺陷軸承、內(nèi)圈點(diǎn)缺陷軸承和外圈點(diǎn)缺陷軸承的內(nèi)圈滾道節(jié)點(diǎn)Y方向加速度變化曲線(xiàn)。

2 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析方法

振動(dòng)信號(hào)是軸承故障診斷中應(yīng)用最普遍的檢測(cè)信號(hào)，運(yùn)用合適的信號(hào)處理方法提取所檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，就能識(shí)別軸承的故障所在。因此信號(hào)處理方法的選擇就顯得尤為重要。目前信號(hào)處理方法主要有：時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析是最簡(jiǎn)單的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，它反映的是軸承總體運(yùn)行情況，它能判斷出軸承是否發(fā)生故障。本文主要采用時(shí)域分析對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行仿真分析，得到各元件有點(diǎn)缺陷時(shí)軸承振動(dòng)的時(shí)域判斷指標(biāo)如下。

2.1 有量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)

對(duì)于離散時(shí)間序列x1,x2,x3,…,xn，振動(dòng)的各有量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算如下：

1）峰值xp：振動(dòng)信號(hào)的最大值。

3）均方根值xrms：用來(lái)判斷軸承是否正常運(yùn)行。

4）方根幅值xr：反映振動(dòng)信號(hào)波動(dòng)程度。

6）方差均值比Q：反映振動(dòng)信號(hào)的集散程度。

2.2 無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)

1）波形指標(biāo)Sf：反映振動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)程度。

2）峭度指標(biāo)K：反映振動(dòng)信號(hào)的沖擊特征。

3）脈沖指標(biāo)If：反映振動(dòng)波形沖擊分量的偏離程度。

4）峰值指標(biāo)Cf：檢測(cè)是否存在沖擊的指標(biāo)。

5）裕度指標(biāo)Ce：檢測(cè)是否存在沖擊的指標(biāo)。

3 加速度時(shí)程分析

為了分析軸承在不同狀態(tài)下加速度的變化規(guī)律，選取初始狀態(tài)時(shí)，正上方內(nèi)圈滾道中心點(diǎn)，提取其Y方向的加速度變化曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行分析。圖2～圖5分別為正常軸承、滾子點(diǎn)缺陷軸承、內(nèi)圈點(diǎn)缺陷軸承和外圈點(diǎn)缺陷軸承的內(nèi)圈滾道節(jié)點(diǎn)Y方向加速度變化曲線(xiàn)。

圖2 正常滾子軸承內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)Y方向加速度曲線(xiàn)

圖3 滾子點(diǎn)缺陷軸承內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)Y方向加速度曲線(xiàn)

圖4 內(nèi)圈點(diǎn)缺陷軸承內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)Y方向加速度曲線(xiàn)

圖5 外圈點(diǎn)缺陷軸承內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)Y方向加速度曲線(xiàn)

從圖2～圖5可以看出，正常情況下軸承與有點(diǎn)缺陷情況軸承相比較，內(nèi)圈滾道節(jié)點(diǎn)Y方向的加速度曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的規(guī)律可循，不同時(shí)刻的峰值大小也不一樣，呈現(xiàn)高度的隨機(jī)性，這反映了軸承元件運(yùn)動(dòng)及受力的復(fù)雜程度。為研究各元件有點(diǎn)缺陷時(shí)對(duì)軸承運(yùn)動(dòng)的影響，利用振動(dòng)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)加速度曲線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果如表1所示。

表1 軸承振動(dòng)時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)值（單位：106mm/s2）

4 軸承振動(dòng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

4.1 振動(dòng)有量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

由表1可得，當(dāng)軸承滾子出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，峰值、均值和方差均明顯變大，均方根值雖然變大，但幅度不是太大，方差均值比和方根幅值都有減小，且方差均值比減小的幅度更明顯，但當(dāng)外圈出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，方差均值比也明顯減小，所以不能單一使用方差均值比作為滾子點(diǎn)缺陷的判斷指標(biāo)，因此可以用峰值、均值和方差來(lái)作為軸承滾子點(diǎn)缺陷的判斷指標(biāo)；當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，峰值、均值、均方根值、方根幅值和方差都小幅度減小，但減小的幅度不是很明顯，而方差均值比成明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此可用方差均值比作為內(nèi)圈點(diǎn)缺陷的判斷指標(biāo)；當(dāng)軸承外圈出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，振動(dòng)的峰值和均值小幅度減小，均方根值、方根幅值、方差和方差均值比明顯減小，因此均方根值、方根幅值和方差可以用作外圈點(diǎn)缺陷出現(xiàn)的判斷指標(biāo)。

4.2 振動(dòng)無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

由表1可得，當(dāng)軸承滾子出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，波形指標(biāo)和脈沖指標(biāo)都有減小趨勢(shì)，且波形指標(biāo)減小的幅度更明顯，峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)有明顯的增大趨勢(shì)；當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)都沒(méi)有明顯的變化，而波形指標(biāo)和脈沖指標(biāo)有所增加；當(dāng)外圈出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，除了波形指標(biāo)有減小的趨勢(shì)外，其他參數(shù)都成明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，由此可以得出，對(duì)于軸承元件點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)，不能用單一的無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)判斷，但可以綜合無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化情況來(lái)判斷軸承元件點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)。當(dāng)峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)明顯增加，但脈沖指標(biāo)卻呈減小趨勢(shì)時(shí)，可以判斷此時(shí)可能在軸承滾子上出現(xiàn)了點(diǎn)缺陷；當(dāng)波形指標(biāo)減小，但其他參數(shù)卻都明顯增大時(shí)，這時(shí)可能在軸承外圈上出現(xiàn)了點(diǎn)缺陷；當(dāng)軸承內(nèi)圈點(diǎn)缺陷時(shí)，其無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)沒(méi)有明顯的變化，因此不適合用無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)判斷軸承內(nèi)圈是否發(fā)生點(diǎn)缺陷。

5 結(jié)論

鐵路貨車(chē)輪對(duì)使用的3531310B型滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文基于ANSYS/LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)，建立3531310B型滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈及滾子的點(diǎn)缺陷模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過(guò)提取正常軸承和有點(diǎn)缺陷軸承運(yùn)行時(shí)內(nèi)圈滾道節(jié)點(diǎn)Y方向的加速度曲線(xiàn)，進(jìn)行軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析，通過(guò)分析和比較振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)可得到如下結(jié)論：

1）內(nèi)圈滾道節(jié)點(diǎn)Y方向加速度曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的周期性，呈現(xiàn)隨機(jī)性，反映了軸承運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部元件受力的高度非線(xiàn)性。

2）當(dāng)滾子出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，峰值、均值和方差較其他元件有點(diǎn)缺陷變化明顯，因此可以用峰值、均值和方差作為滾子點(diǎn)缺陷的判斷指標(biāo)。

3）當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)點(diǎn)缺陷時(shí)，方差均值比與其他元件有點(diǎn)缺陷相比有明顯的變化，因此可以用方差均值比來(lái)作為內(nèi)圈點(diǎn)缺陷的判斷指標(biāo)。

4）當(dāng)外圈點(diǎn)蝕出現(xiàn)時(shí)，均方根值、方根幅值和方差較其他元件有點(diǎn)缺陷明顯減小，因此可以用均方根值、方根幅值和方差來(lái)作為外圈點(diǎn)缺陷的判斷依據(jù)。

5）單一的無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)無(wú)法正確地對(duì)軸承缺陷進(jìn)行判斷，但將無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行綜合比較分析，可以作為點(diǎn)缺陷的判斷依據(jù)，如當(dāng)峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)明顯增加，但脈沖指標(biāo)卻呈減小趨勢(shì)時(shí)，可以作為滾子點(diǎn)缺陷判斷的依據(jù)；當(dāng)波形指標(biāo)減小，但其他參數(shù)卻都明顯增大時(shí)，可以作為外圈點(diǎn)缺陷判斷的依據(jù)；軸承內(nèi)圈點(diǎn)缺陷因其無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)沒(méi)有明顯的變化，不適合用無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)判斷軸承內(nèi)圈是否發(fā)生點(diǎn)缺陷。

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