一種滾動軸承‐轉子系統損傷振動響應定量計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，包括：1）獲取軸承-轉子系統的結構參數和初始參數；2）根據所述軸承參數建立五自由度軸承模型，獲取軸承-轉子系統的軸承剛度矩陣；根據子部件的幾何尺寸、材料特性參數，建立有限元模型，獲取轉子的剛度矩陣、轉子的陀螺矩陣、離心力引起的等效質量矩陣；3）建立軸承-轉子系統的動力學模型；4）使用時域積分法對軸承-轉子動力學模型進行求解，獲得軸承-轉子系統位移振動響應。本發明基于有限元動力學模型，可以定量計算軸承內外圈單點或多點損傷產生的振動響應，為轉子-軸承系統的故障機理分析和診斷提供依據。
【專利說明】一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及軸承-轉子系統領域，尤其涉及一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法。
【背景技術】:
[0002]滾動軸承-轉子系統是旋轉機械設備中應用非常廣泛的一種結構形式，是整個設備的核心部件。在滾動軸承-轉子系統中，滾動軸承屬于薄弱環節。據統計，在使用滾動軸承的旋轉機械中，大約30%的機械故障是由于滾動軸承的損壞造成的。軸承出現損傷后將會有明顯的振動，通常可以通過采集并分析振動信號來提取軸承故障特征，這方面的研究較多，并有成熟的商業解決方案。然而，在滾動軸承-轉子系統的損傷仿真方面，研究還相對較少，導致故障機理認識不深，難以實現定量診斷。
[0003]從現有檢索文獻發現，對于軸承損傷振動響應的仿真通常采用兩種思路。一是對軸承施加一系列連續等間隔的脈沖力來模擬滾動體每一次通過損傷區域的情形，McFadden和Smith把軸承單點損傷建模成由一個沖擊函數表示的脈沖力(McFadden, P.D.，SmithJ.D..Model for the Vibration Produced by a Single Point Defect in a RollingElement Bearing [J].Sound Vib.，1984，96: 69 - 82.)，之后又根據此方法研究了滾動軸承內圈上的多點缺陷振動響應；第二種思路是建立軸承或軸承-轉子動力學模型，并根據缺陷特征用合理的模型來描述滾動體通過損傷區域的情形，之后通過求解動力學模型來獲得軸承損傷振動響應，比如Kankar, Sharma等建立一個2自由度軸承動力學模型來研究損傷軸承的非線性振動響應(P.K.Kankar, Satish C.Sharma, S.P.Harsha.Vibrationbased performance prediction of ball bearings caused by localized defects[J].Nonlinear Dyn，2012，69:847 - 875)，大多數文獻均采用了 2自由度或3自由度軸承模型來預測軸承的損傷振動響應，這與實際有一定的差距，仿真結果往往不夠準確，并且無法定量仿真損傷面積大小對振動響應的影響；此外，多數模型將軸承獨立出來研究，很少有研究將軸承和轉子作為一個耦合系統，研究軸承損傷發生后整個系統的振動響應產生與傳遞規律。
【發明內容】
[0004]針對上述缺陷或不足，本發明提供了一種基于動力學模型的滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，能夠定量計算軸承內圈或外圈缺陷引起的振動響應，為轉子-軸承系統的故障機理分析和診斷提供依據。
[0005]為達到以上目的，本發明的技術方案為:
[0006]包括以下步驟:
[0007]I)獲取軸承-轉子系統的結構參數和初始參數，所述結構參數包括軸承參數、子部件的幾何尺寸、材料特性參數以及損傷特征參數；初始參數包括軸承-轉子系統的外力矢量、轉子轉速；[0008]2)根據所述軸承參數建立五自由度軸承模型，獲取軸承-轉子系統的軸承剛度矩陣；根據子部件的幾何尺寸、材料特性參數，建立有限元模型，獲取轉子的剛度矩陣、轉子的陀螺矩陣、離心力引起的等效質量矩陣；
[0009]3)建立軸承-轉子系統的動力學模型；
[0010]所述軸承-轉子系統動力學模型為:
[0011]
【權利要求】
1.一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)獲取軸承-轉子系統的結構參數和初始參數，所述結構參數包括軸承參數、子部件的幾何尺寸、材料特性參數以及損傷特征參數；初始參數包括軸承-轉子系統的外力矢量、轉子轉速； 2)根據所述軸承參數建立五自由度軸承模型，獲取軸承-轉子系統的軸承剛度矩陣；根據子部件的幾何尺寸、材料特性參數，建立有限元模型，獲取轉子的剛度矩陣、轉子的陀螺矩陣、離心力引起的等效質量矩陣； 3)建立軸承-轉子系統的動力學模型； 所述軸承-轉子系統動力學模型為:
2.根據權利要求1所述的一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，其特征在于，所述步驟2)中，建立五自由度軸承模型前，進行判斷是否有滾珠處于損傷區域，若是，則獲取軸承損傷大小和位置，計算相應損傷特征參數，根據軸承參數以及相應損傷特征參數建立基于五自由度軸承模型。
3.根據權利要求2所述的一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，其特征在于，所述軸承損傷特征參數由以下公式求得: 對于內圈缺陷:
4.根據權利要求1所述的一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，其特征在于，所述步驟4)具體包括:預設循環計算步長和總計算時長，并設定初始計算時刻為O，使用時域積分法對軸承-轉子動力學模型進行求解，獲得軸承-轉子系統位移振動響應后，更新計算時刻，將當前計算時刻加循環計算步長，若更新后的計算時刻等于總計算時長，則結束計算，若更新后的計算時刻小于總計算時長，則回到步驟I)。
5.根據權利要求1所述的一種滾動軸承-轉子系統損傷振動響應定量計算方法，其特征在于，所述根據子部件的幾何尺寸、材料特性參數，建立有限元模型包括:利用Timoshenko梁單元對梁類結構的轉子、箱體部件進行有限元建模，利用轉盤單元對帶輪、套筒盤類結構進行建模 。
【文檔編號】G01M13/04GK103712785SQ201310416278
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】曹宏瑞, 李亞敏, 何正嘉, 牛藺楷, 李文興, 蘭志俊 申請人:西安交通大學