基于显式动力学的滚动轴承建模与分析

摘要

滚动轴承是旋转机械设备中应用范围广泛且易受损的重要零部件，其运转状态的好坏将在很大程度上影响工业生产过程的效率及安全。因此，对滚动轴承进行动力学仿真模拟以探讨复杂路径下轴承故障的演化规律，从内因和外因两方面寻找其故障机理，研究故障特征提取方法等工作，对滚动轴承故障诊断技术的发展和进步，具有非常深远的现实意义。 文章开篇首先介绍了滚动轴承各部件间的动力学及运动学关系，建立了力学及运动学理论模型，系统、详尽地分析了各部件间的相互作用力和相对运动关系。在此基础上，简单介绍了典型故障形式及常用故障诊断方法以及滚动轴承显式动力学分析的理论基础—有限元法的原理和求解步骤，ANSYS/LS-DYNA软件的材料模型、单元种类和接触模型等。 以6205深沟球轴承和NU205圆柱滚子轴承为仿真对象，分别建立了健康轴承及内圈和外圈存在划痕缺陷的滚动轴承有限元模型。建模过程中，在显式算法的基础上结合单元的单点积分方式，并将轴承转速、负载、接触及摩擦等因素的影响全部考虑在内，运用ANSYS/LS-DYNA成功地模拟了滚动轴承从启动到正常运转的全过程。分析了轴承各部件的应力、位移和速度分布规律，并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，为滚动轴承故障诊断提供了坚实可靠的理论依据。 仿真结果表明:滚动轴承正常工作情况下，其最大应力出现在滚动体与内、外圈接触处，划痕的出现使滚动轴承各部件的应力水平和应力波动大大增加。应力变化促使滚动轴承产生振动和噪声。 滚动轴承故障特征在外圈不同位置节点的振动响应中均能得到体现;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，并与实测振动信号进行了对比分析，该方法可有效识别轴承典型故障，为深入探究轴承故障传递路径特性提供可行方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 滚动轴承仿真的研究概况

1．3 课题来源

1．4 主要研究内容

1．5 论文结构及安排

第二章 滚动轴承的动力学及运动学理论模型

2．1 常用滚动轴承概述

2．1．1 深沟球轴承的基本结构

2．1．2 圆柱滚子轴承的基本结构

2．2 滚动轴承动力学理论模型

2．2．1 各零件间的相对运动

2．2．2 滚动体受力分析

2．2．3 保持架受力分析

2．2．4 内／外圈的动力学分析

2．3 滚动轴承元件的接触特性

2．3．1 赫兹接触理论(Hertz接触理论)

2．3．2 Hertz理论在接触面的应用

2．3．3 接触应力与应变

2．3．4 接触面压力分析

2．4 滚动轴承的运动学理论分析

2．5 滚动轴承故障形式及其成因

2．6 滚动轴承的振动机理

2．7 滚动轴承故障诊断方法

2．8 本章小结

第三章 基于显式动力学的深沟球轴承仿真与分析

3．1 理论基础

3．1．1 显式动力学基本算法

3．1．2 细化谱法

3．2 正常深沟球轴承仿真模型的建立

3．2．1 有限元模型的建立

3．2．2 材料、约束和载荷的设置

3．2．3 PART及接触模型的设定

3．3．4 分析求解

3．3 外圈故障轴承的动力学仿真与分析

3．3．1 外圈故障轴承的动力学仿真

3．3．2 外圈故障轴承等效应力分析

3．3．3 外圈故障轴承仿真信号振动特征与等效应力分析

3．3．4 基于频域方法的加速度仿真信号包络解调细化谱故障特征分析

3．4 内圈故障轴承的动力学仿真与分析

3．4．1 内圈故障轴承的动力学仿真

3．4．2 内圈故障轴承等效应力分析

3．4．3 内圈故障轴承仿真信号振动特征与等效应力分析

3．4．4 基于频域方法的加速度仿真信号包络解调细化谱故障特征分析

3．5 本章小结

第四章 圆柱滚子轴承动力学仿真与分析

4．1 正常滚动轴承动力学模型的建立与分析

4．2 外圈故障轴承的动力学仿真与分析

4．2．1 外圈故障轴承仿真模型的建立

4．2．2 外圈故障轴承仿真信号振动特征与应力变化分析

4．2．3 基于频域方法的加速度仿真信号包络解调细化谱故障特征分析

4．3 内圈故障轴承的动力学仿真与分析

4．3．1 内圈故障轴承仿真模型的建立

4．3．2 内圈故障轴承仿真信号振动特征与应力变化的分析

4．3．3 基于频域方法的加速度仿真信号包络解调细化谱故障特征分析

4．4 实验分析

4．4．1 实验器材

4．4．2 实验方案

4．4．3 希尔伯特包络谱法

4．4．4 振动频率响应实验分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 研究成果总结

5．2 下一步工作

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介