复合故障的旋转机械滚动轴承振动机理研究

摘要

滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的、最容易产生故障的部件，其运行状态正常与否直接影响到整个机组的性能。滚动轴承发生故障时往往是多种故障相互关联、相互交错、相互耦合构成复合故障。复合故障的滚动轴承振动信号特征不是单个故障信号特征的简单叠加，具有单故障信号特征混合、耦合等特性。目前对于滚动轴承复合故障诊断研究主要集中在复合故障振动信号的特征提取与模式识别，缺乏滚动轴承复合故障振动机理研究，导致滚动轴承复合故障诊断准确率低。因此开展滚动轴承复合故障振动机理研究势在必行。论文以Rexnord ER10k滚动轴承为研究对象，以复合故障的复合振动特性为研究目的，基于动力学理论建模分析和多体动力学仿真分析，开展了旋转机械滚动轴承复合故障振动机理研究，提出了滚动轴承滚动体与滚道接触等效阻尼与等效刚度的计算方法，建立了单故障的滚动轴承振动理论模型，在此基础上建立了复合故障的滚动轴承振动理论模型，对复合故障振动机理进行了研究，并通过多体动力学仿真和实验对振动理论模型及其分析结果进行了验证。论文主要研究内容如下:
　　基于EHL（EHL，elastohydrodynamic lubrication，弹性流体动力润滑）的滚动体与滚道接触等效刚度与等效阻尼理论计算方法研究。以Rexnord ER10k滚动轴承为研究对象，基于接触弹性变形和油膜润滑理论，将滚动体、油膜、滚道三者之间的接触细化，构建了滚动体与滚道接触等效刚度与等效阻尼理论计算方法，通过计算获得滚动体与滚道接触刚度与接触阻尼值，最后通过多体动力学仿真和实验验证了滚动体与滚道接触等效刚度与等效阻尼计算方法的正确性。
　　正常滚动轴承的振动理论建模与验证。考虑滚动轴承游隙以及承载区的变化，并引入计算获得的滚动体与滚道接触等效刚度与等效阻尼值，建立了滚动轴承弹簧阻尼振动理论模型，采用四阶龙格库塔计算方法对模型求解获得滚动轴承内圈的振动数据。采用内圈运动轨迹的空间相图以及庞加莱映射分别对含轴承支座与不含轴承支座的滚动轴承内圈运动特征进行了分析。最后通过实验验证了正常滚动轴承振动理论模型的正确性。
　　单故障的滚动轴承振动理论建模与验证。在正常滚动轴承振动理论模型的基础上引入单个故障源，将损伤点分别加载到外圈、内圈、滚动体上建立单故障的振动理论模型，采用四阶龙格库塔计算方法对模型求解获得单故障滚动轴承内圈的振动数据，通过多体动力学仿真和实验验证了滚动轴承单故障振动理论模型的正确性。
　　复合故障的滚动轴承振动理论建模与验证。在单故障振动理论模型的基础上分别在不同部件上引入两种故障复合、三种故障复合，建立了复合故障振动理论模型，采用四阶龙格库塔计算方法对模型求解获得复合故障滚动轴承内圈的振动数据，通过多体动力学仿真与实验验证了复合故障振动理论模型的正确性。最后对复合故障的滚动轴承振动特性进行了分析。研究发现将多种单故障同时加载到滚动轴承不同部件上形成的复合故障，滚动轴承内圈振动频谱特征信号并不是简单的单故障频谱特征信号的线性叠加，故障与故障之间复合存在振动频谱特征信号的非线性叠加，复合故障频谱信号包络幅值的大小与各个单故障的相位角差以及故障种类相关，外圈故障与内圈故障相复合时则会引发虚假滚动体故障特征频谱信号，无论复合程度如何，外圈故障频谱信号相对于内圈故障、滚动体故障而言是最明显的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 基于EHL的滚动体与滚道接触等效刚度与等效

2．1 引言

2．2 滚动体与滚道接触模型

2．3 滚动体与滚道弹性接触模型

2．3．1 Hertz接触理论

2．3．2 弹性变形接触刚度

2．4 滚动体与滚道的EHL接触模型

2．4．1 接触区油膜刚度kf和油膜阻尼cf

2．4．2 入口区油膜刚度kef与油膜阻尼cef

2．5 径向等效刚度与等效阻尼计算方法

2．6 计算方法实验验证

2．6．1 计算实例

2．6．2 实验验证

2．7 本章小结

第三章 正常滚动轴承振动理论建模与验证

3．1 引言

3．2 滚动轴承振动理论建模

3．2．1 滚动轴承工作状态分析与简化

3．2．2 滚动轴承运动模型

3．3 考虑轴承支座影响的滚动轴承振动理论建模

3．3．1 滚动轴承系统振动模型

3．3．2 轴承支座对滚动轴承系统振动规律影响

3．4 模型实验验证

3．5 本章小结

第四章 单故障的滚动轴承振动理论建模与验证

4．1 引言

4．2 滚动轴承内圈故障

4．2．1 滚动轴承内圈故障模型

4．2．2 滚动轴承内圈故障多体动力学仿真

4．2．3 滚动轴承内圈故障模型实验验证

4．3 滚动轴承外圈故障

4．3．1 滚动轴承外圈故障模型

4．3．2 滚动轴承外圈故障多体动力学仿真

4．3．3 滚动轴承外圈故障模型实验验证

4．4 滚动轴承滚珠故障

4．4．1 滚动轴承滚珠故障模型

4．4．2 滚动轴承滚珠故障多体动力学仿真

4．4．3 滚动轴承滚珠故障模型实验验证

4．5 本章小结

第五章 复合故障的滚动轴承振动理论建模与验证

5．1 引言

5．2 单故障复合的滚动轴承振动建模

5．2．1 内圈与外圈的故障复合模型

5．2．2 外圈与滚子的故障复合模型

5．2．3 内圈与滚子的故障复合模型

5．3 三种单故障复合的滚动轴承振动建模

5．3．1 复合故障振动模型

5．3．2 复合故障的多体动力学仿真

5．3．3 滚动轴承振动模型实验验证

5．5 本章小结

第六章 总结与研究展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间参研项目和发表论文