一种轴承松动-内圈缺陷耦合的转子系统动力学模型

当轴承松动与内圈缺陷同时出现时,将对转子系统动态特性产生较为严重的影响,不利于对转子系统进行故障诊断与状态监测。针对这一问题,提出了一种轴承松动-内圈缺陷耦合的转子系统动力学模型,分析了含内圈缺陷-松动耦合故障轴承的转子系统振动动态特性。首先,根据赫兹理论与轴承运动学理论分析了轴承受力;然后,根据胡克定律与转子系统集中质量法建立了松动-内圈缺陷耦合的转子系统动力学模型;最后,采用数值仿真方式获取了转子系统的振动响应,探讨了转速和载荷对松动-内圈缺陷耦合转子系统振动特性的影响,并通过实验对该模型的准确性进行了验证。研究结果表明:松动-内圈缺陷同时存在的轴承频谱上出现了典型的干摩擦特征频率,即1/2倍旋转频率及其倍频,且其幅值与转速、载荷呈正比;此外,1/2倍旋转频率及其倍频、旋转频率及其倍频与内圈缺陷频率的组合频率的出现,表明了松动和内圈缺陷同时发生,该现象在转子系统另一个轴承上也有所体现。该研究结果为轴承转子系统的耦合故障检测提供了理论依据。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

滑动效应对球轴承滚动体缺陷频率影响的研究

在弹流润滑作用下,球轴承滑动效应引起的滚动体缺陷频率低于理论值,不利于对球轴承进行故障诊断,为此,建立了一种考虑弹流润滑作用下球轴承滑动效应的轴承动力学模型,研究了球轴承滑动效应对滚动体缺陷频率的影响。首先,基于轴承动力学理论和弹流润滑理论,分析了球轴承内各部件间的等效刚度与等效阻尼;然后,根据部件间受力关系,建立了考虑滑动效应的含滚动缺陷故障轴承动力学模型;最后,分析了弹流润滑作用下轴承滚动体与轴承内外圈间的滑动效应,获取了滑动效应对滚动体缺陷频率的影响,并通过试验对模型的正确性进行了验证。研究结果表明:由于球轴承滑动效应的存在,滚动体缺陷频率约为理论值的93.6%;通过增大载荷可抑制滑动效应对滚动体缺陷频率的影响,滚动体缺陷频率约为理论值的96.3%,但由于滑动效应始终存在,滚动体缺陷频率始终低于理论值。该研究结果为弹流润滑作用下球轴承的打滑抑制与故障诊断提供了参考依据,丰富了轴承故障动力学建模理论。

考虑圆度误差的角接触球轴承温升特性研究

以往有关于轴承温升特性的研究多注重轴承温升以及圆度误差对轴承振动的影响,其中圆度误差对轴承温升影响的文献较少,且研究对象多针对的是低速、轻载轴承的温升。为此,建立了考虑圆度误差、轴承预紧力、离心效应、热力耦合等影响的角接触球轴承热-力耦合模型,研究了轴承沟道圆度误差对轴承温升的影响规律。首先,以轴承拟动力学、弹流润滑理论、传热学理论和基尔霍夫能量守恒定律为基础,建立了考虑圆度误差、轴承预紧力、离心效应、热力耦合等影响的角接触球轴承热-力耦合模型;然后,利用模型分析了不同工况条件、圆度误差对轴承温升特性影响;最后,将模型计算结果与试验结果进行了比较,验证了角接触球轴承热-力耦合模型的合理性。研究结果表明:模型计算结果和实验结果相比,最大相对误差为5.37%;随着圆度误差阶次的增加,轴承温度呈现波动性变化,且随着转速的增加,波动趋势愈加显著;随着润滑油温度的升高,温度波动逐渐减小;当圆度误差的阶次等于球数n/2±2(n=1,2,3…)时,轴承外圈温度比不考虑圆度误差时要低,因此将圆度误差控制在特定阶次内能有效降低轴承温升,从而提高工作效率;轴承外圈温度的波动性与外圈圆度误差的幅值成正比,为轴承设计提供了重要参考;外圈温度与沟道圆度误差阶次之间呈周期性变化,并与钢球的个数形成映射关系,当圆度误差阶次等于球数的(2 n-1)/4倍(n=1,2,3…)时,轴承外圈温度达到最高;当圆度误差阶次等于球数的n/2倍(n=1,2,3…)时,轴承外圈温度最低,这一规律可为轴承的优化提供具体参考方向。

A comprehensive comparative investigation of frictional force models for dynamics of rotor−bearing systems

Vibrations of a rotor-bearing system(RBS)can be affected by the frictional forces between the components of the inherent bearings.Thus,an in-depth investigation of the influences of the frictional moments of the bearings on the vibrations of the RBS can be helpful for understanding the vibration mechanisms in the rotating machinery.In this study,an improved dynamic model of a RBS considering different frictional force models is presented.A comparative investigation on the influences of the empirical and analytical frictional force models on the vibration characteristics of the RBS is proposed.The empirical frictional force models include Palmgren’s and SKF’s models.The analytical frictional force model considers the rolling friction caused by the radial elastic material hysteresis,slipping friction between the ball and races,viscosity friction caused by the lubricating oil,and contact friction between the ball and cage.The influences of the external load and rotational speed on the vibrations of the RBS are analyzed.The comparative results show that the analytical frictional force model can give a more reasonable method for formulating the effects of the friction forces in the bearings on the vibrations of the RBS.The results also demonstrate that the friction forces in the bearings can significantly affect the vibrations of the RBSs.

Nonlinear dynamic behaviors of ball bearing rotor system

Nonlinear forces and moments caused by ball bearing were calculated based on relationship of displacement and deflection and quasi-dynamic model of bearing.Five-DOF dynamic equations of rotor supported by ball bearings were estimated.The Newmark-β method and Newton-Laphson method were used to solve the equations.The dynamic characteristics of rotor system were studied through the time response,the phase portrait,the Poincar?maps and the bifurcation diagrams.The results show that the system goes through the quasi-periodic bifurcation route to chaos as rotate speed increases and there are several quasi-periodic regions and chaos regions.The amplitude decreases and the dynamic behaviors change as the axial load of ball bearing increases;the initial contact angle of ball bearing affects dynamic behaviors of the system obviously.The system can avoid non-periodic vibration by choosing structural parameters and operating parameters reasonably.

基于改进开关卡尔曼滤波的轴承故障特征提取方法

提出了一种基于改进开关卡尔曼滤波的滚动轴承故障特征提取新方法,与传统卡尔曼滤波算法相比,该方法每次迭代只需当前监测数据测量值和上一时刻最优估计值,计算效率高,具有较强实时性。首先将故障轴承振动信号分为故障冲击振动和正常振动两种成分;其次,针对故障冲击振动和正常振动两种状态,分别建立基于轴承质量-弹簧-阻尼系统动力学脉冲响应的卡尔曼滤波器及线性卡尔曼滤波器模型;然后,应用基于贝叶斯估计的开关卡尔曼滤波算法对振动信号进行状态估计;最终,通过时域迭代滤波,滤除噪声并识别故障冲击成分,实现轴承故障特征提取。仿真和试验信号分析结果表明了所提方法的可行性和有效性。