曲沟球轴承的外圈优化设计与振动特性分析

发布时间：2020-10-01 14:49

　　为了研究曲沟球轴承的摆动特性和故障检测方法,在外圈滚道为三维正弦曲线的基础上,设计加工了三维二次曲线滚道和三维三次曲线滚道,并对这两种曲线以及正弦曲线进行了速度与加速度分析;针对二次曲线和三次曲线存在的柔性冲击问题,提出了修正优化方案,并进行了修正前后的曲线滚道外圈的加工;为了探明不同曲线曲沟球轴承的摆动特性,在曲沟球轴承性能试验台上,对正弦曲线、二次曲线、三次曲线曲沟球轴承进行了振动信号的采集和振动特性分析,分别获得三种曲沟球轴承的冲击特性;在此基础上,用深度学习模型对曲沟球轴承的振动信号进行了冲击性检测,为曲沟球轴承的故障检测提供依据。论文研究工作取得的主要结论如下:1.在9个周期正弦曲线的基础上,设计了轴向位移与转角相位为平方和立方关系的曲沟球轴承外圈滚道三维曲线,9周期三维曲线分别用多段二次曲线和三次曲线拼接完成。完成了三维曲线的绘制并进行三种曲沟球轴承外圈的加工和曲沟球轴承的试制。2.改装了曲沟球轴承性能试验台,搭建了曲沟球轴承振动信号采集系统,并完成了试制的正弦曲线、二次曲线、三次曲线曲沟球轴承振动信号的采集和初步分析。通过对信号进行分析得出结论:二次曲线和三次曲线曲沟球轴承的寿命短暂,振动幅值大,不适于进行实际应用。3.针对二次曲线和三次曲线在拼接点处存在二阶导数不连续的问题,用内切圆曲线替代一阶导数曲线尖值突变部分,消除了加速度突变产生的柔性冲击问题。然后用反向求积分的方法,获得曲沟球轴承外圈修正后二阶导数连续的二次曲线和三次曲线。4.进行了正弦、二次、三次曲线曲沟球轴承外圈振动特性的模态分析,并对三种轴承的振动信号进行了时域分析、频域分析、小波分析、包络分析,获得了三种曲沟球轴承的振动特性和冲击特性,二次曲线和三次曲线曲沟球轴承存在冲击性振动,为曲线拼接点处的加速度突变所引起的。5.用深度学习方法完成了不同曲线形状的曲沟球轴承振动信号的故障检测。训练曲沟球轴承冲击性振动检测模型,可以系统性地通过信号采集、输入模型、输出分类预测结果这一流程,来判断曲沟球轴承是否存在结构缺陷与故障。并采用该模型进行了修正后的二次曲线和三次曲线曲沟球轴承振动信号的冲击性振动检测,得出结论修正方法有效。本论文的研究成果为曲沟球轴承外圈曲线结构与振动性能的关系提供了参考,有助于曲沟球轴承的进一步开发和应用领域拓展。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：

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处理方法等也一直在被改进和完善，转速更高、承载能力更大、和精密专用的轴承不断推陈出新，推动了工业技术进步和机械生产中，常涉及农副产品脱粒、棉秆疏解、挤压搓揉等复杂运动式是用普通的球轴承实现轴或者滚筒的回转运动，而轴向的往计大多为凸轮机构或者连杆机构。这种设计形式不仅加大了设笨重，体积大，而且，降低了工作效率。组在进行棉杆剥皮疏解机(陈达等 2008; 郭康权 2007)的设计秆轴向挤压剪切的同时，沿径向进行碾压揉搓更容易实现剥皮(王一目的，课题组设计了一种曲沟球轴承(褚福势 2015; 郭康权等解机的揉搓辊的回转运动变成同时进行周向回转与轴向往复016)。曲沟球轴承的工作原理是将传统深沟球轴承外圈的圆弧滚期性连续曲线滚道，滚动体在曲线滚道上运动，从而带动主轴变运动方式的目的，提高了棉杆剥皮疏解机的工作效率。曲沟球示。

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如某些机构需要无冲击特性等。因此，为了拓展曲沟球轴承的应用范围度和加速度分别为线性变化时，曲沟球轴承的摆动特性。本次研究提出两种球轴承外圈滚道曲线，分别在四分之一个主轴往复周期内速度线性变化、加不变和加速度线性变化的往复运动的曲沟球轴承，即往复周期内主轴惯性力持不变和线性变化的二次曲线和三次曲线，可用于对回转和往复复合运动有的机构。滚道曲线的设计计算曲沟球轴承外圈曲线滚道的三维曲线为周期性连续曲线，周期数分为奇数与个周期的曲线滚道轴承，运行过程中滚动体的运动具有共轭性，对轴承的冲为避免该问题，曲沟球轴承的设计都选择奇数个周期的曲线滚道，而周期数过曲沟球轴承往复运动的频率过高，难以保证稳定性。综合考虑，周期数为 7曲线滚道曲沟球轴承较为适合应用与研究。12 3 4

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维空间皆为同一圆柱面上的空间曲线。了方便加工制造和性能对比，三种曲线在 XOY 平面上是半径相同的一个圆，其如式 2-1 所示：R= 32.3019X= R·cos(θ) (2-Y= R·sin(θ)了表达方便简单，本研究采用圆柱坐标系。在圆柱坐标系下，曲沟球轴承外圈滚线为正弦曲线、二次曲线和三次曲线的三维空间曲线分别用：正弦曲线(θ))，二次曲线(Z2=θ2)，三次曲线(Z3=θ3)的一部分，作为曲沟球轴承外圈滚道中了构造 9 个周期的曲沟球轴承外圈滚道中心线，先要构造其中一个完整周期的其中因为正弦曲线的周期性与无穷阶连续性，可以直接取一个完整周期；二次曲次曲线需要拼接。了便于观察分析，将拼接以后的三条空间曲线在θ为-π/9~π/9区间的几何图形，坐标的 θ 轴展开，在 ZOθ 平面的几何曲线如图 2-2 所示。

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