含局部故障球轴承-刚性转子系统动力学特性分析及其应用

发布时间：2020-03-18 20:35

【摘要】：滚动轴承是旋转机械特别是轻型旋转机械如航空发动机的关键和核心部件之一。它是国家973计划项目“航空发动机运行安全基础研究”子课题“双转子-轴承-机匣系统振动传递与故障溯源”的重要内容之一,也是航空发动机及燃气轮机重大专项核心问题之一。随着旋转机械转速的提高,作为关键部件和薄弱环节,滚动轴承发生故障的概率也越来越高。为了保证设备安全运行,轴承故障诊断变得越来越重要,而故障机理研究在轴承故障诊断领域占据重要地位。以磨损和剥落为代表的局部故障在滚动轴承故障类型中占有较大比重,此类轴承故障的研究具有重要实用价值。与现有大多数轴承局部故障的研究不同,针对轴承-转子系统的特性,本论文从轴承-转子一体化角度,利用非线性振动理论研究了故障球轴承-刚性转子系统的动力学特性。考虑到实验条件,本文的研究对象为球轴承内滚道和外滚道局部故障。故障轴承-转子系统通常存在三种激励:变刚度激励、转子偏心激励以及冲击激励。论文研究了三种激励作用下的轴承-转子系统动力学响应及其影响因素,基于数值计算并结合实验定性验证,给出了故障轴承的动力学特征及其应用。研究健康球轴承-转子系统的动力学特性,讨论了轴承变刚度共振及其影响因素,明确了系统动力学特性与轴承振动信息之间的关系。首先,考虑平衡转子的情况,利用谐波平衡-时域频域转换方法(HB-AFT)计算了系统的动力学特性,计算结果表明系统存在变刚度共振及其微弱超谐共振。其次,考虑转子偏心激励的影响,利用龙格库塔方法计算了系统的动力学响应,讨论了滚动体数目和偏心激励对系统动力学特性的影响。计算结果显示:滚动体数的增加会导致系统变刚度特性降低,参激激励属性降低,非线性现象减少;当转子偏心距较大时,系统有关变刚度振动的非线性特性减小,转子偏心距较小时,系统的变刚度振动呈现出与平衡转子相似的结果。不同激励条件下,轴承变刚度共振域转速区间包含丰富的轴承振动信息。考虑外滚道故障,研究故障轴承-平衡转子系统的共振特性和频域特性,给出了故障轴承-转子系统的动力学特征和补充了故障判定准则。首先,针对轴承局部故障两种主要建模方式——几何边界模型和冲击力模型,从动力学角度比较了两种模型的差异。冲击力模型可表达为傅里叶级数形式因而便于谐波平衡法求解,计算效率高且容易做深入理论分析;几何边界模型基于游隙突变,而游隙不能被很好的数学近似;且几何边界故障模型可引发概周期问题,给方程求解带来困难。考虑到动力学特性快速分析和机理研究,判定冲击力模型具有优势。其次,基于冲击力模型并结合HB-AFT方法求解了系统动力学特性,计算结果表明故障轴承-转子系统在不同参数影响下均呈现出明显的变刚度共振和变刚度超谐共振现象,对比健康轴承-转子系统动力学特性,认定明显的变刚度超谐共振可作为外滚道故障的动力学特征。此外,根据故障轴承-转子系统的低频频域特性,得出了利用低频信息判定故障的标准:以谐波频率并考虑幅值作为故障判定标准。结合包络分析技术,给出了故障轴承-转子系统动力学特性的应用。首先,分析了球轴承-转子系统含有内滚道故障与外滚道故障的动力学特性,发现轴承变刚度共振域转速区间故障系统与健康系统动力学响应存在较大差异。其次,借助包络分析技术讨论采样区间对轴承故障诊断的影响:轴承变刚度共振域转速区间的包络分析结果包含清晰和丰富的轴承故障信息,而高转速区间包络分析结果呈现较弱的轴承故障信息,内滚道故障尤其敏感;不同系统参数和故障参数条件下包络分析也表现出相似的结果。之后,针对这些现象,通过分析不同转速条件下的轴承力变化给出了机理解释:高转速区间因为转子离心力的作用导致轴承内部滚动体与滚道之间的接触发生改变,轴承振动信息减弱,继而引起故障产生的冲击特征减弱。针对理论分析结果给出了实验定性验证。首先,实验证实球轴承-转子系统变刚度共振特性及其非线性属性——变刚度共振区间的软硬弹簧共振特性以及微弱的2倍变刚度超谐共振。其次,针对外滚道故障轴承-转子系统,实验结果证实了系统共振特性和频域特性:外滚道故障轴承-转子系统存在明显的变刚度共振及其2倍超谐共振;相比于健康系统,外滚道故障特征频率及其谐波量增加且谐波项增多;实验频谱检测到系统固有频率的存在证实概周期现象的解释。之后,开展了针对采样转速区间选择的实验,系统变刚度共振域的包络分析结果包含明显的内滚道和外滚道特征故障频率,此结论定性验证了振动状态对故障诊断结果的影响以及振动信号采样时转速区间选择的重要性。综上,实验结果定性证实了系统的共振特性、频率特性以及振动信号合理采样转速区间的结论。总之,本文研究了故障轴承-转子系统的动力学特性,发现了一些新的动力学故障特征和故障机理,并给出了它们的应用。论文的研究成果具有重要的理论和实用价值。
【图文】：

分析图,文献记录,轴承故障,滚动轴承

1-2 Web of science 文献记录情况，(a) 滚动轴承，(b) 轴承故障。e litterature records based on the web of science. (a) rolling bearing; (fault.eb of science 输入“rolling bearing”和“fault bearing”，2的文献记录情况分别如图 1-2(a)和(b)所示，文献调研情况证承故障已经是研究热点，文献记录呈现出逐年增加的趋势。可分为分布类故障和局部故障。分布式故障包括波纹度、表尺寸偏差和滚动不对中等，局部故障包含疲劳剥落裂纹和凹障可通过提高加工精度和装配精度来减少和消除，但是局部工作中产生[5]，对旋转机械的安全运行带来隐患。滚动轴承不可避免地存在接触碰撞，接触疲劳不可避免，而且它会导道和滚动体的剥落、小坑或者从材料表面剥落金属粒子[6]。承出现轻载打滑或者过载可能会造成轴承磨损，磨损加剧后故障[7]。分析图 1-1(b)中的轴承失效案例可知磨损和剥落为占有较大比重。北京航空工程技术研究中心尉询楷等也提到是航空主轴承的主要失效形式[3]。考虑到实验条件，，本文的

模型图,冲击力,模型

振动衰减等因素。Tandon 和 Choudhury[27,28]持续时间，他们选用矩形（图 1-3(b)）、三角 1-3(d)）三种常见脉冲表征故障产生的冲击故障处接触力，利用含有故障频率的三角级态叠加法求出故障滚动轴承的频谱。随后这种冲击力模型对含有局部故障的轴承实验了数值计算。Rafsanjani 等[5]利用冲击力模型系统动力学模型并发现了一些复杂的动力学现从飞云等[39]将转子偏心激励带来的交变载荷冲击力模型。前面的叙述中提到很多学者在得到了包含随机因素的冲击力模型。还有学Sassi 等[40]假设碰撞过程能量是守恒的，利用速度之间的关系提出了一种新的冲击力模型程和动量矩定理等力学原理建立了新的冲击力从产生、发展和消失整个过程。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.33;V232.2

【参考文献】