滚动轴承集成微传感器的设计分析及实验研究

摘要

在传统的滚动轴承状态监测过程中,由于产生轴承故障信息的故障点到传感器安装位置的距离较远,传感器很难有效监测到轴承的故障情况。研制一种符合轴承标准外廓尺寸的、集成微传感器的新型轴承单元,可以使传感器尽可能接近轴承故障和失效易发位置,不仅可以准确监测到轴承早期失效从而采取有效预防措施,而且可以根据对轴承运转状况的判断做到及时翻修并减少不必要的翻修。使用这种新型轴承单元,在保证整机运转可靠性和降低维修成本方面都具有重要的理论意义和现实意义。
　　本文在满足滚动轴承运转性能的前提下,综合考虑轴承工况和各类微传感器的参数要求,认为电容式加速度传感器最适于在滚动轴承上的集成。采用理论计算与有限元仿真分析相结合的方法,对滚动轴承集成的微加速度传感器的机械结构进行了设计分析。
　　采用滚动轴承分析的基本理论计算与有限元仿真相结合的方法,对轴承外圈开槽的轴承结构进行分析,确定了开槽对轴承外圈受力变形的影响情况。建立了针对轴承外圈开槽时,用于轴承力学分析的有限元模型,分析了不同开槽深度和不同工况对轴承外圈受力变形的影响情况,为滚动轴承集成传感器的结构设计打下了基础。
　　对加速度传感器模块与滚动轴承进行了集成。通过对轴承集成单元的参数标定以及性能测试,认为所设计的轴承集成结构满足轴承故障诊断的要求,可以监测轴承早期失效状况。搭建了滚动轴承试验台,对滚动轴承失效早期的情况进行探索。根据轴承故障信号特征,进行了滚动轴承打滑和轴承外圈故障的实验。通过对故障信号的时域和频域分析,验证了所设计轴承集成单元对于轴承失效早期故障监测的准确性。

目录

滚动轴承集成微传感器的设计分析 及实验研究

DESIGN ANALYSIS AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF ROLLING BEARING INTEGRATED WITH MICRO SENSORS

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.1.1课题来源

1.1.2研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1典型微传感器的结构和分析

1.2.2传感器与滚动轴承的集成测试

1.2.3滚动轴承的早期失效监测

1.3本课题主要研究的内容

第2章 滚动轴承集成微传感器的机械结构设计与分析

2.1引言

2.2微加速度传感器的机械结构设计

2.2.1微加速度传感器的结构形式确定

2.2.2微加速度传感器的机械结构设计

2.3微加速度传感器的数学模型

2.4机械结构的分析及仿真

2.4.1机械结构受力变形分析计算

2.4.2机械结构的变形仿真

2.5本章小结

第3章 滚动轴承外圈开槽力学分析与仿真

3.1引言

3.2滚动轴承工作载荷情况下的接触分析

3.2.1最大滚动体载荷与接触角计算

3.2.2接触面的尺寸和最大接触应力计算

3.2.3滚动体与轴承滚道的接触变形计算

3.3滚动轴承外圈开槽情况的受力分析

3.3.1轴承外圈开槽受力分析模型

3.3.2有限元模型及接触参数设置

3.3.3不同开槽深度的受力变形分析

3.3.4不同工况下的受力变形分析

3.4本章小结

第4章 轴承集成传感器综合实验

4.1引言

4.2传感器在轴承上集成及参数标定

4.2.1传感器的集成

4.2.2集成传感器的参数标定

4.3滚动轴承的特征频率

4.4轴承开槽外圈受力变形实验及验证

4.4.1轴承开槽外圈受力变形实验

4.4.2轴承外圈应变监测打滑判断

4.5轴承集成加速度传感器的实验验证

4.5.1静态测试验证

4.5.2动态测试验证及故障检测

4.6本章小结

结 论

参考文献

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致 谢