這篇工業(yè)技術(shù)論文發(fā)表了深溝球軸承故障診斷，隨著應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)大，對(duì)軸承的品質(zhì)要求越來(lái)越高，軸承在現(xiàn)代化工中處于重要地位，分析了基于ANSYS的模態(tài)分析及諧響應(yīng)，通過(guò)分析得出以下結(jié)論。

　　【摘要】滾動(dòng)軸承是應(yīng)用極其廣泛的機(jī)械支承，一般由內(nèi)圈、滾珠、保持架、外圈組成。軸承性能的優(yōu)劣及壽命的長(zhǎng)短直接影響到機(jī)器的工作能力。因此，對(duì)軸承的監(jiān)測(cè)與故障診斷十分重要。在滾動(dòng)軸承當(dāng)中，深溝球軸承具備使用量大、生產(chǎn)工藝成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因此，本文選用深溝球軸承作為研究對(duì)象，建立深溝球軸承的三維有限元模型，再通過(guò)有限元分析軟件ANSYSWorkbench，建立深溝球軸承的分析模型。通過(guò)加載載荷和邊界條件，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)接觸分析，得出軸承承載過(guò)程中的應(yīng)力和變形趨勢(shì)及接觸應(yīng)力的變化規(guī)律。最后用MATLAB對(duì)一組故障信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，分析其故障頻率并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證傅立葉變換在故障診斷中的有效性。

　　【關(guān)鍵詞】工業(yè)技術(shù)論文,深溝球軸承,故障診斷,有限元分析,傅里葉變換

　　1引言

　　現(xiàn)如今軸承應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，尤其是在現(xiàn)代化工業(yè)中處于重要地位。目前隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，大量的機(jī)械設(shè)備投入使用。由于操作不當(dāng)?shù)纫蛩�，�?dǎo)致機(jī)械設(shè)備等故障問(wèn)題越來(lái)越多，其中由于軸承故障引起的故障問(wèn)題占很大比例。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械所發(fā)生的故障中，因滾動(dòng)軸承引起的主要故障，占到故障原因的30%。滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于各種內(nèi)在因素和外在因素導(dǎo)致軸承的損壞。例如裝配過(guò)程中的錯(cuò)誤操作、定期維護(hù)導(dǎo)致的磨損、潤(rùn)滑條件的改變以及外加載荷的周期性改變或突變等。此外，當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)軸承的磨損也是相當(dāng)嚴(yán)重的。在對(duì)設(shè)備常規(guī)的維護(hù)下，對(duì)軸承的使用接近軸承的設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，軸承的正常磨損也可能引起軸承故障[1-4]。為保證滾動(dòng)軸承的正常、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)滾動(dòng)軸承的檢測(cè)和診斷必不可少。而其中對(duì)故障信號(hào)的分析和處理是核心內(nèi)容，其對(duì)滾動(dòng)軸承診斷的準(zhǔn)確性和可靠性有著十分重要的作用。常用的故障信號(hào)處理技術(shù)主要包括故障信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和故障信號(hào)分析技術(shù)兩個(gè)部分。測(cè)量的信號(hào)主要為振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力、電流、電壓等信號(hào)中的一種或幾種。故障信號(hào)分析處理是對(duì)檢測(cè)到的各種狀態(tài)信息進(jìn)行加工、變換,從而對(duì)滾動(dòng)軸承可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，以提前采取準(zhǔn)備工作[5]。本文以深溝球軸承6205-2RS為例，綜合考慮徑向載荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承產(chǎn)生的影響，并在分析軟件ANSYS中建立深溝球軸承動(dòng)力接觸有限元模型，通過(guò)分析計(jì)算得出結(jié)論。整體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

　　2深溝球軸承三維模型的確立

　　6205-2RS深溝球軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。內(nèi)圈與軸頸進(jìn)行裝配，外遷與軸承座進(jìn)行裝配。工作時(shí)，外圈在多數(shù)情況下保持不動(dòng)，而內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。滾動(dòng)體作為滾動(dòng)軸承的核心元件,其主要作用使運(yùn)動(dòng)表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。6205-2RS深溝球軸承的幾何參數(shù)主要有:(1)軸承節(jié)徑D=39.04mm;(2)滾珠直徑d=7.94mm;(3)滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=9(滾珠的數(shù)目);(4)接觸角為0。通過(guò)三維制圖軟件UG分別對(duì)內(nèi)圈、外圈、滾珠和保持架進(jìn)行建模，并完成深溝球軸承整體的裝配圖。各部件以及整體裝配圖如圖2至圖6所示。

　　3特征頻率分析

　　深溝球軸承的滾球個(gè)數(shù)N=9，滾珠直徑d=7.94mm，軸承的節(jié)徑為D=39.04mm，接觸角α=0。

　　4基于ANSYS的模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析

　　4.1深溝球軸承的模態(tài)分析模態(tài)分析即自由振動(dòng)分析，主要用于確定結(jié)構(gòu)和機(jī)器零部件的固有頻率和振型，同時(shí)模態(tài)分析也是諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。用模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)[6]。模態(tài)分析主要是將線性系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，是方程組解耦，成為以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)為參數(shù)的獨(dú)立方程，以便求得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7]。對(duì)于本文研究的6205-2RS深溝球軸承，利用有限元分析軟件ANSYSWorkbench來(lái)完成其模態(tài)分析。4.1.1有限元計(jì)算利用Geometry中的ImportGeometry命令，在對(duì)話框中導(dǎo)入利用UG建立好的軸承總裝圖[8]。采用自動(dòng)劃分法對(duì)軸承進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分設(shè)置單元尺寸為1mm，如下圖7所示。4.1.2有限元仿真計(jì)算結(jié)果采用默認(rèn)設(shè)置，求解模型的前六階模態(tài)，得到的前六階模態(tài)振型如圖9至圖14所示。4.2諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受一個(gè)或多個(gè)隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)并得到一組響應(yīng)值(通常是位移)與頻率之間的曲線。諧響應(yīng)分析技術(shù)只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，對(duì)于在激勵(lì)開(kāi)始階段發(fā)生的瞬態(tài)振動(dòng)則不考慮。通過(guò)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)共享，軸承諧響應(yīng)分析與軸承模態(tài)分析共享其材料庫(kù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、固定約束，如圖15所示。4.2.1施加載荷由于與模態(tài)分析相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，諧響應(yīng)分析直接從施加載荷開(kāi)始設(shè)置，為模型內(nèi)圈添加20000Pa的載荷，如圖16所示。4.2.2求解分別針對(duì)X軸、Y軸和Z軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析，求解結(jié)果如圖17至圖22所示。其中，圖17和18表示X方向的幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖;圖19和圖20表示Y方向的幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖;圖21和圖22表示Z方向的幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖。由諧響應(yīng)分析結(jié)果可得，當(dāng)軸承在正常工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于X軸方向和Z軸方向，隨著頻率的增大，變形的幅度也開(kāi)始增大;當(dāng)頻率到達(dá)25000HZ之后，變形的幅度開(kāi)始增大;當(dāng)頻率達(dá)到軸承六階固有頻率27422HZ附近時(shí)，變形的幅度達(dá)到最大。對(duì)于Y軸方向，在到達(dá)變形幅度最大之前，有兩次明顯的變形，分別在16000HZ和21500HZ附近。

　　5基于MATLAB的傅里葉變換

　　傅里葉變換是信號(hào)處理的基礎(chǔ)，通過(guò)傅里葉變換可以獲取信號(hào)的頻譜信息，使頻域信號(hào)處理更為方便、直觀。信號(hào)的傅里葉變換建立了信號(hào)的時(shí)域和頻域之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，拓展了信號(hào)系統(tǒng)表示的空間，為信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析提供了理論基礎(chǔ)。也就是說(shuō)在分析信號(hào)和系統(tǒng)時(shí)，不僅可以對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析，也可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行頻域分析。信號(hào)的頻域分析比時(shí)域分析具有更加清晰的物理概念和深刻含義。根據(jù)美國(guó)CaseWesternReserveUniversity電氣工程實(shí)驗(yàn)室的滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)采集的軸承數(shù)據(jù)進(jìn)行MTLAB雙譜特征分析。本次基于MATLAB的傅里葉變換主要針對(duì)于滾珠進(jìn)行雙普特征分析，實(shí)驗(yàn)條件為：(1)轉(zhuǎn)速1796轉(zhuǎn)/分;(2)滾珠0.07英尺故障;(3)122571個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖23所示。首先將采樣得到的數(shù)據(jù)繪制到一幅圖上，如圖23所示。之后對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，得到軸承振動(dòng)信號(hào)頻譜圖。但是由于處理后的頻譜譜線不清晰，也不精確，且理論計(jì)算得到的故障頻率值均較小，因此對(duì)圖23所示頻譜圖進(jìn)行低頻段局部頻譜細(xì)化分析，得到如圖24和25所示低頻段振動(dòng)頻譜圖，從圖中可以看到，被測(cè)軸承在低頻段振動(dòng)中，特征頻率為120Hz，其中2次諧波為147.7Hz，對(duì)照之前計(jì)算得到的各部分故障頻率可知故障出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)端軸承滾珠上。

　　6總結(jié)

　　本文首先采用三維軟件UG對(duì)需要分析的深溝球軸承進(jìn)行建模，然后通過(guò)對(duì)擾動(dòng)頻率進(jìn)行計(jì)算，求得軸承各組成部件的理論失效頻率。之后根據(jù)有限元分析方法對(duì)6025-2rs深溝球軸承進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。通過(guò)模態(tài)分析，得到了前6階固有頻率及各階變形。通過(guò)諧響應(yīng)分析主要分析了不同頻率下軸承的變形，得到相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線。軸承在正常工況下，隨著加載頻率增大，在軸承固有頻率附近達(dá)到最大變形。通過(guò)MATLAB的數(shù)據(jù)分析功能對(duì)美國(guó)CaseWesternRe-serveUniversity電氣工程實(shí)驗(yàn)室的滾動(dòng)軸承故障模擬試驗(yàn)臺(tái)采集的軸承故障數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻譜圖，并對(duì)低頻段進(jìn)行頻譜細(xì)化，從而可以直觀地得到其故障頻率，并與之前得到的各組件理論失效頻率進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，該軸承失效部件為滾珠，與實(shí)際情況相符，從而證明此種軸承失效診斷方法的有效性。

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　　作者：吳俊 單位：重慶交通大學(xué)

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