考虑冲击力的球轴承复合缺陷动力学建模

滚动轴承在旋转机械中应用十分广泛,其运行状态直接影响设备的工作性能,有必要对轴承故障机理进行深入研究.基于Hertz接触理论,建立了四自由度的内外圈复合缺陷球轴承模型,该模型考虑了缺陷引起的时变位移激励和冲击力激励,并分析计算了冲击力的大小及作用角度.分别对内圈、外圈单一缺陷及内外圈复合缺陷情况下球轴承的振动响应进行了数值仿真,仿真结果与实验数据吻合较好,内圈故障特征频率(BPFI)和外圈故障特征频率(BPFO)及其倍频在频谱图中清晰可辨,分析了负载大小和缺陷宽度对轴承振动特性的影响.研究结果可为滚动轴承的故障诊断提供理论参考.     

滚动轴承系统摩擦振动的非线性研究

针对滚动轴承摩擦振动系统,建立了在非线性摩擦力作用下的耦合动力学方程,并运用Runge-Kutta-Felhberg算法进行求解,着重分析了摩擦润滑和结构参数对滚动轴承系统运动特性的影响。研究表明,非线性摩擦力对滚动轴承的周期运动有明显的抑制作用,可以通过调整摩擦润滑主要参数来改善系统的动态稳定性,为滚动轴承的理论设计和故障动态监测提供了理论依据。     

变刚度轴承-碰摩转子机动飞行动力学响应

为研究机动飞行状态下高速滚动轴承-转子耦合系统非线性动力学特性,利用有限元方法建立爬升-俯冲机动飞行状态下含滚动轴承时变刚度的轴承-碰摩转子系统数学模型,并利用Newmark-β积分法对系统动力学方程进行求解. 模型中考虑了滚动轴承时变刚度与转子非线性动力学特性之间的相互影响,分析了转子偏心及滚动轴承径向间隙的影响. 求解模型得到了系统在不同状态下的时域图、频域图及分岔图等,并以此为依据对高速滚动轴承刚度的时变特性、轴承刚度与转子动力学状态的相互影响、轴承-转子系统非线性特性、机动飞行状态对系统的影响及含碰摩故障的转子系统在机动飞行状态下的动力学响应进行了分析. 研究结果表明:轴承刚度的时变特性与转子系统的动力学特性密切相关,是限制转子系统最高转速的因素之一;机动载荷会使转子系统产生复杂的非线性动力学特性,但当系统转速较低时,机动载荷的引入能一定程度上提高系统稳定性;随着碰摩刚度的增大,系统稳定运动区间减小.     

采用动力测试的双转子卧螺离心机模型修正

基于动力测试及有限元模型修正建立准确的双转子结构卧式螺旋离心机动力学模型. 通过对复杂双转子装配体进行分步动力测试,获得整机及内转子在不同支撑条件下的前3阶模态参数. 研究双转子结构三维有限元模型精确建模方法并建立结构连接刚度的参数化模型. 通过有限元模态仿真分析及仿真结果与各阶试验模态参数的对比,检验模型的有效性. 通过参数灵敏度分析,获得卧螺离心机各连接结构中对结构模态参数影响最大的因子,并使用遗传算法分别对内转子和整机关键连接结构进行模型修正. 修正后的整机有限元模型在轴承支撑状态下前3阶弯曲模态频率仿真结果与试验结果之间的误差小于5%,可以较好地模拟卧螺离心机的动态特性,为深入的振动分析打下良好基础.     

EMD与同态滤波解调在滚动轴承故障诊断中的应用

根据滚动轴承的振动故障特征,介绍了一种新的基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)与同态滤波解调相结合的滚动轴承故障诊断方法.EMD可将轴承故障信号分解成若干个IMFs(Intrinsic Mode Functions),各个IMF突出了原始信号的某些局部特征.再对某些IMFs有针对性地进行同态滤波解调,提取了轴承内圈故障特征频率,诊断出轴承内圈严重磨损故障.同时,为更突出同态滤波解调方法的优越性,与Hilbert包络进行了对比分析.仿真与应用结果表明,同态滤波解调方法要优于Hilbert包络法.     

缓冲包装产品的动态特性及其仿真方法

建立了缓冲包装系统的动力学模型，列写了系统在振动，冲击状态下的微分方程，在对微分方程进行拉氏变换的基础上，讨论了运用Simulink动态仿真工具来仿真包装件在多种激励下跌落过程中的动态特性。     

多传感器的车辆装载状态动态监测方法

为了研究车辆装载状态实时监测方法,建立了路面随机高程激励仿真模型,并将其作为二自由度四参数的1/4车辆振动模型的输入激励。在不同运行工况下用SIMULINK对悬架动态特性进行仿真分析,得到悬架动行程与动载荷具有全局线性关系。基于悬架动态特性分析结果,提出了一种多传感器的车辆装载状态动态监测方法。以解放赛龙Ⅱ重型载货汽车为试验车、MC9S12XEP100单片机为车载终端,设计开发了车辆载荷动态监测预警系统平台,并进行了标定试验。在A等级路面、不同车速的状态下,采用预设货物滑移的方法进行了道路试验。试验结果表明:该方法实现了车辆装载状态的实时监测,为车辆行驶过程中装载状态异常监测预警提供了一种新方法。     

汽车主减速器非线性振动特性仿真

研究了汽车主减速器主传动齿轮的振动特性,考虑汽车主减速器传动中的齿侧间隙、时变啮合刚度、啮合冲击等非线性因素,建立变参数、弯扭耦合的8自由度非线性动力学模型,分析了主减速器周期、拟周期、混沌等3种典型振动形态,并对不同参数对系统非线性动态响应特性的影响及系统参数与关联维数、最大Lyapunov指数等非线性特征量之间的关系进行了仿真研究.结果表明,激励频率、刚度比、阻尼比等参数的变化对主减速器振动形态的影响形式有一定的规律性,非线性特征量对于主减速器振动特性具有足够的敏感度,能够表征主减速器的不同振动形态,并通过对实测3类主减速器振动信号的分析进一步验证了该结论.     

基于表面特征的滚动轴承振动模型研究

针对轴承制造过程中形成的粗糙度、波纹度、圆度等影响轴承振动的主要因素,利用Lagrange动力学方程建立了具有表面特征的滚动轴承系统的振动模型.该模型可用于分析轴承各部件的表面特征对轴承振动的影响,同时也可用于分析轴承各部件表面存在加工缺陷时系统的振动特性.以轴承内外圈和滚动体表面的波纹度为例,从理论上推导了波纹度阶数与系统振动频率的关系,仿真结果验证了该模型的正确性,所得的结论对轴承振动理论研究和指导低噪声轴承生产有重要意义.     

汽车悬架系统二自由度模型的振动特性研究

基于Matlab/Simulink建立了汽车前悬架系统的二自由度振动模型,分析了系统在缓冲块作用下的瞬态响应,并进行了悬架参刚度、阻尼和轮胎刚度等参数对车身动态响应的灵敏度,通过Adams模型动态仿真分析验证了Simulink模型的正确性.仿真分析为后续系统地研究悬架系统奠定了基础.     

存在点缺陷的深沟球轴承的动力学响应

点缺陷对滚动轴承的使用寿命和整机性能有着显著的影响.基于单边接触模型和弹流润滑理论,分析了存在点缺陷的滚动轴承的响应特征.采用多体动力学方法建立了考虑点缺陷的滚动轴承动力学模型,对外圈存在点缺陷的滚动轴承的内圈、外圈和保持架等的动力学响应进行了模拟.分析了在滚动体通过缺陷的动力学过程中滚动体和外圈产生的冲击现象,发现频率响应中的峰值频率与外圈的特征频率相关,这与滚动轴承故障诊断结论相吻合.提出的滚动轴承动力学模型可以用于点缺陷故障特征的提取和滚动轴承的故障诊断.     

具有局部故障滚动轴承的振动分析(Ⅰ)外圈具有单一局部故障

在基于弹性力学的正常滚动轴承二自由度动力学模型的基础上,考虑外圈局部点蚀缺陷宽度以及深度对接触变形的影响,引入滚动体通过缺陷时接触变形量的变化,建立了外圈产生单一局部故障的滚动轴承的动力学模型.通过仿真,证实了当外圈产生单一局部缺陷时,滚动轴承振动信号的低频成分为滚动体通过外圈的频率及其倍频这一在滚动轴承故障诊断中常用的结论,并合理解释了倍频产生的原因;最后通过实验进一步证实了所建立模型和仿真结果的有效性.     

深沟球轴承复合故障动力学特征

为提高状态监测水平,诊断和识别轴承的早期故障,降低因轴承故障导致的损失, 针对径向载荷作用下复合故障激励的滚动轴承振动机理的复杂性问题,基于Hertz接触理论,考虑复合故障、轴和轴承座与轴承之间的耦合激励、时变位移激励和滚动体滑动等因素,提出了4自由度复合故障深沟球轴承动力学模型. 模型描述了滚动体在滚道表面上的接触和运动,探究了轴承表面复合故障激励机理,分析了3种工况条件下滚动轴承复合故障对系统动力学振动响应的影响,为轴承状态监测和诊断提供了理论依据. 实验和模拟研究结果表明,复合故障的振动响应是由内、外圈单故障的振动响应耦合作用的结果,在频谱图中可以明显地分辨出内、外圈故障特征频率及倍频成分,与单故障相比较,其对应的幅值增大. 缺陷尺寸增大、转速增高和载荷增强均会使复合故障轴承的振动幅值增大,影响其运行状态,进而加速轴承的失效,降低轴承的使用寿命.     

Super-harmonic resonance characteristic of a rigid-rotor ball bearing system caused by a single local defect in outer raceway

The studies on dynamics of a fault bearing system are prevalent in recent years, however, we are studying a completely different frequency range than the one where the bearing faults are best seen. Considering a local defect on outer raceway,a two-degree-of-freedom analytical model of a rigid-rotor ball bearing system is established. Three pulse force models are introduced to simulate the local defect. The frequency domain method—harmonic balance method with alternating frequency/time domain technique (HB-AFT) is used to calculate the response in a large frequency range. By comparing the performance at different frequencies, the fault systems with different defect models and parameters reveal the super-harmonic resonances,and the reasons for this phenomenon are uncovered as well. Finally, the theoretical calculation is verified qualitatively by the experimental results, through comparing the frequency spectrums of the defective bearing rotor system to the fault-free one.Therefore, the super-harmonic resonances can be regarded as a dynamic feature. Besides, the obvious super-harmonic resonances indicate the magnification of the harmonics of the "characteristic defect frequency" for outer race in the corresponding speed regions, which may be helpful for the diagnosis of a rotor ball bearing system with a local defect.     

基于显式动力学及细化谱的滚动轴承故障诊断方法

为了探究滚动轴承早期故障动态演化规律,建立了滚动轴承典型故障三维有限元动力学模型.该模型以显式算法为基础,采用单点积分方式,在充分考虑轴承转速、负载、接触及摩擦的条件下,对滚动轴承内、外圈等典型故障进行了动力学分析.提取基于有限元动力学仿真的故障轴承加速度信号,采用希尔伯特包络解调并结合细化谱分析方法,提取故障轴承信号特征.分析结果表明:故障轴承条件下,轴承不同位置节点的振动响应均能体现故障特征;加速度响应信号在经过细化谱分析后能找到相应故障的特征频率,实现轴承典型故障的有效识别,为进一步探究轴承故障传递路径特性提供了可行的方法.     

基于ADAMS的滚动轴承参数化建模与动力学仿真

为了更加精确地进行轴承动力学设计,优化高速轴承的动力学特性,本文采用虚拟样机分析软件对滚动轴承进行参数化建模,给出滚动轴承参数化过程,同时建立了深沟球轴承动力学参数化模型并进行仿真分析,仿真结果表明,当对滚动轴承施加一定重载荷时,滚动体因受迫速度增大一些,滚动体与内外圈及保持架的接触力也会增大,但由于滚动体的直径减小,施加的载荷不足以使轴承的变形达到增加接触力效果,所以在对轴承模型施加1000N载荷后,参数化模型分析结果与实际要求相符合。提高了建模效率,方便了用户不用考虑模型内部之间的关联变动对模型进行快捷修改。该方法对研究滚动轴承动力学特性具有重要作用。     

球轴承-转子系统动特性的整体分析方法

针对轴承刚度计算精度不高的问题,求解滚动轴承内圈方程组的雅可比矩阵得到滚动轴承五维刚度,对轴承刚度特性分析表明,刚度随工况变化呈显著非线性变化.考虑转子外力和不平衡力作用于轴承的载荷变化和工况变化对轴承刚度的影响以及轴承刚度对转子系统动特性的影响,提出了滚动轴承-转子系统动态特性计算的整体分析方法,使用最速下降法结合牛顿-拉夫逊法求解系统的特征值,建立了转子失稳门槛的优化模型.对某多圆盘转子的临界转速、失稳门槛计算的结果表明:考虑轴承和转子相互作用对系统动特性的影响较为显著,优化转子直径提高了失稳门槛值.本研究为转子系统动特性的准确计算提供了方法.     

基于振动响应机理的轴承故障定量诊断及量化分析

为了解决轴承损伤尺寸难以诊断的问题,建立滚动轴承非线性振动的动力学模型,并通过解析法求解轴承4种不同大小的故障振动信号响应,根据故障轴承响应信号的双冲击时间间隔对轴承故障进行定量分析,分析结果表明了该定量分析方法的准确性.进而对多组不同故障大小的轴承数据进行统计学分析,建立了轴承外圈损伤程度区间.滚动轴承外圈实验结果验证了提出的基于故障机理的轴承故障定量诊断方法的有效性.     

基于轴承运行刚度分析的超高速磨削电主轴动态特性

高速电主轴正朝着高速重载与超高速轻载的方向发展,其动态特性研究是电主轴开发的关键技术之一.主轴超高速运行时轴承刚度的确定是整个研究过程的难点所在.基于滚动轴承的拟静力学模型,计算轴承的动态刚度,并考虑转速、初始预紧力、热预紧力及油膜厚度对轴承刚度的影响,确定出轴承的运行刚度.再以轴承运行刚度作为主轴支撑刚度,建立面向高速电主轴动态性能分析的参数化有限元模型,对主轴动态特性进行分析.分析结果表明,初始预紧力、砂轮悬伸长度、前后轴承跨距、前轴承对间距及电机转子内径等参数是影响磨削电主轴动态特性的关键因素.     

EEMD-PE与M-RVM相结合的轴承故障诊断方法

滚动轴承振动信号中包含了大量轴承运行状态信息,但是由于振动信号具有非线性和非平稳性的特点,难以充分提取振动信号中的故障特征,导致现有基于模式识别的轴承故障诊断方法的故障识别准确率较低.为了提高滚动轴承故障识别的准确率,提出了一种基于集合经验模态分解-排列熵(EEMD-PE)特征提取与多分类相关向量机(M-RVM)相结合的轴承故障诊断方法.首先,该方法利用EEMD对非线性和非平稳信号的自适应分解能力,将轴承故障信号分解为一组包含故障特征的本征模态函数(IMFs).然后,利用排列熵提取由EEMD分解得到的IMFs中的故障特征,并组成特征向量.最后,采用EEMD-PE对不同故障状态下的训练样本集进行特征提取,组成特征向量集对M-RVM分类器进行建模,以概率输出的形式实现对滚动轴承的故障诊断.实验结果表明:EEMD-PE特征提取方法能够对滚动轴承振动信号的故障特征进行有效提取,M-RVM能够对故障滚动轴承振动信号包含的故障特征进行识别.与现有轴承故障诊断方法相比较,所提出的方法能够提高故障识别准确率,达到99.58%.