軸承故障建模與分析

李 棟 王建康

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備學(xué)院，江蘇 常州213164）

0 引言

滾動軸承作為重要的工業(yè)基礎(chǔ)件，是各種機(jī)械中傳遞運(yùn)動和承受載荷的重要支承零件，各類主機(jī)的工作精度、性能、壽命、可靠性和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，都與軸承有著密切的關(guān)系。軸承是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的零部件之一，在大多數(shù)煤礦機(jī)械中起著重要的作用，與此同時(shí)，軸承也是最易損耗的零件之一。在對齒輪箱的故障原因調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承故障發(fā)生率僅次于齒輪，占總故障的19%；在電機(jī)的常見故障中，由軸承損壞所引起的故障更是占到了一半以上。軸承運(yùn)行狀態(tài)的好壞對于設(shè)備的工作狀態(tài)影響巨大，尤其是對礦用設(shè)備來說，絕大多數(shù)都是大型重型設(shè)備，一旦設(shè)備發(fā)生故障，輕則會降低生產(chǎn)影響效益，嚴(yán)重的話則會造成人員傷亡等重大事故[1]。

對軸承進(jìn)行故障檢測與診斷是國內(nèi)外專家學(xué)者長期研究的一個(gè)課題，工業(yè)上主要采用的方法有：對軸承內(nèi)部油脂的溫度進(jìn)行檢測；對潤滑油中的微粒進(jìn)行分析；聲發(fā)射檢測法以及振動監(jiān)測法。滾動軸承為周期性旋轉(zhuǎn)機(jī)械，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各個(gè)部件都有它固定的特征頻率，當(dāng)其中的某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)，這個(gè)故障零件所產(chǎn)生的故障頻率就會得到增強(qiáng)，因而對傳感器采集到的振動信號進(jìn)行快速傅里葉變換進(jìn)而得到特征頻率值，并與計(jì)算得到的故障特征頻率相比較，依此來判斷該部件是否發(fā)生故障[2]。

目前針對軸承單一故障的診斷研究較為廣泛，但多處故障耦合的情況研究較少，特別是實(shí)驗(yàn)研究中建立多故障耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒎治龅碾y度較大。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以解決這一問題，可以在計(jì)算機(jī)中建立軸承的三維模型并且可以任意添加故障并進(jìn)行分析，為分析多故障耦合的軸承提供故障樣本支持[3]。

1 軸承三維建模

軸承的虛擬樣機(jī)模擬仿真主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為軸承模型的建立，正確地建立模型對于后續(xù)的模擬仿真起著基礎(chǔ)性的作用。本次軸承的建模在三維建模軟件SolidWorks中完成。

本研究以常用的SKF系列下單列深溝球軸承SKF-6205軸承為例進(jìn)行建模，其質(zhì)量為0.128 kg，其具體幾何參數(shù)如表1所示。

表1 SKF-6205軸承幾何參數(shù)

根據(jù)具體的幾何尺寸建立的軸承各部分模型并完成最終的裝配如圖2所示。

圖2 軸承裝配模型

2 軸承故障添加

軸承常見的失效形式包括疲勞點(diǎn)蝕、塑性變形、斷裂和磨損[4]。本文主要對以下幾種情況為例進(jìn)行故障添加。

2.1 點(diǎn)蝕

當(dāng)軸承在受力不均勻時(shí)，滾動體的內(nèi)外圈之前產(chǎn)生的循環(huán)變化的接觸應(yīng)力，從而使軸承工作一段時(shí)間后工作表面出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象。點(diǎn)蝕后的軸承有一定的阻力，影響軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，會消耗一部分機(jī)械能，如果用點(diǎn)蝕的軸承長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)還會造成軸承的摩擦發(fā)熱，使軸承膨脹系數(shù)加大，膨脹后的軸承因?yàn)榕蛎浵禂?shù)不同還會造成圓形的滾動體最后變形成不規(guī)則的滾動體。所以點(diǎn)蝕后的軸承會影響一定的傳動、影響軸承運(yùn)動磨損、提高了摩擦阻力，還會因較小的碰撞而產(chǎn)生高頻率的小聲音，使用壽命會大大縮短。

圖3與圖4為點(diǎn)蝕模型和點(diǎn)蝕裝配體模型。

圖3 點(diǎn)蝕模型

圖4 點(diǎn)蝕裝配體模型

2.2 內(nèi)圈裂紋

軸承內(nèi)圈裂紋會造成較嚴(yán)重的后果，可能在初期沒有發(fā)現(xiàn)有什么問題，但當(dāng)遇到的振動量足夠時(shí)，會將軸承原先的小裂紋在振動的作用下慢慢變大，當(dāng)軸承內(nèi)部出現(xiàn)裂紋足夠時(shí)，潤滑油會從軸承裂紋處流出，而且隨著軸承的使用裂紋會越來越大，因?yàn)檩S承采用的是過盈配合，軸承內(nèi)圈的孔本就比與之配合的軸的尺寸小，在軸給的膨脹力的作用和機(jī)器運(yùn)行所產(chǎn)生的各種不利情況（如振動、過載等）加劇了軸承的損害。軸承內(nèi)圈裂紋不斷加大，期間還會給滾動體造成一定影響，在與滾動體配合時(shí)滾動體會被點(diǎn)蝕，或者直接將滾動體壓裂。還會在工作中產(chǎn)生振動，影響機(jī)器的正常平穩(wěn)工作，振動還會產(chǎn)生一定的噪聲。當(dāng)軸承內(nèi)圈徹底斷裂后，軸承與軸之間的配合就沒有了摩擦，也失去了軸向的固定，這將影響整個(gè)機(jī)器的正常運(yùn)行。圖5與圖6為軸承內(nèi)圈裂紋模型和軸承內(nèi)圈裂紋裝配體模型。

圖5 軸承內(nèi)圈裂紋模型

圖6 軸承內(nèi)圈裂紋裝配體模型

2.3 外圈裂紋

軸承外圈一般很少出現(xiàn)裂紋，因?yàn)檩S承外圈與孔配合，且多采用過盈配合，即使軸承外圈如果出現(xiàn)了裂紋，也很難第一時(shí)間知道，大多都是在軸承被拆卸后發(fā)現(xiàn)軸承裂紋。故軸承外圈出現(xiàn)裂紋影響也不是特別大，如果裂紋比較明顯會漏些潤滑油。圖7與圖8為軸承外圈裂紋模型和軸承外圈裂紋裝配體模型。

圖8 軸承外圈裂紋裝配體模型

3 故障仿真分析

SKF系列下的單列深溝球軸承，在靜態(tài)下可以承受7.8kN的基本額定負(fù)荷，在動態(tài)下可以承受14.8kN的基本額定負(fù)荷。當(dāng)不考慮離心力影響時(shí)，可近似認(rèn)為同一個(gè)滾動體與內(nèi)圈和外圈相互作用時(shí)，所受載荷是一致的。軸承載荷分布如圖9所示，定義滾動體中心和軸承中心連線與徑向負(fù)載之間的夾角為滾動體的位置角，且令順時(shí)針為正方向。由于深溝球軸承主要承受徑向載荷，軸向受力較小，所以為了簡化分析，忽略球軸承軸向受力。

圖9 深溝球軸承載荷分布圖

建立軸承三維模型并添加故障以后，可對故障模型進(jìn)行仿真分析，得到用于判別軸承是否存在損傷的典型特征，分析流程如圖10所示[5]。

圖1 軟件界面

圖10 分析過程

在仿真軟件中進(jìn)行故障軸承的模擬分析，在圖11中A點(diǎn)處設(shè)置為監(jiān)測點(diǎn)，調(diào)整軸承運(yùn)行參數(shù)為實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速[6]。

圖11 軸承監(jiān)測位置示意圖

采集得到的A點(diǎn)處振動信號如圖12所示，此為外圈裂紋故障下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的仿真振動信號。

圖12 A點(diǎn)振動信號示意圖

4 結(jié)語

本文通過三維建模軟件建立了軸承的三維模型，并添加典型故障后對其進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)的故障特征數(shù)據(jù)，為工程上進(jìn)一步進(jìn)行軸承故障診斷提供了支持。具體工作如下：

（1）采用SolidWorks軟件對深溝球軸承的零部件及裝配體進(jìn)行建模，包括內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等關(guān)鍵部分。所建立的模型將為后續(xù)的故障添加及仿真分析提供基礎(chǔ)。

（2）對建立的三維模型進(jìn)行典型故障的添加。根據(jù)軸承的常見的失效形式，對關(guān)鍵部位添加裂紋、點(diǎn)蝕故障，并對添加裂紋后的模型完成裝配。

（3）對添加故障的SKF-6205軸承進(jìn)行仿真分析，得到故障狀態(tài)下的振動信號，從而為故障監(jiān)測提供評判依據(jù)。