非平衡力下不同缺陷的滚动体的振动分析

平衡力下不同缺陷的滚动体的振动分析摘要本文方法的有限元振动分析的基础上提出了承重结构的不同组件使用的时间和频域参数的单个或多个缺陷与滚动元件轴承的缺陷检测。

提出了以创建节点的激励功能的动态加载模型作为外部载荷的有限元振动分析。

开发一个图形用户界面在Visual Basic编程语言编写的计算机代码，以创建针对不同的情况下，节点的激励，包括外圈，内圈或滚动体缺陷。

轴承的结构振动分析被迫转移通过球轴承的结构不平衡力的作用下进行的商业有限元包思想。

时间和频域参数，如RMS，峰值因子，峭度和的笼罩信号的频谱波段的能量比是用来分析的缺陷位置和缺陷数量上的时间和频域参数的影响。

接收点的振动测量中的作用进行了研究。

各种缺陷的情况下，包括房屋结构的影响振动数据可以利用有限元振动分析，状态监测研究，以便制定最佳的监测方法。

一、介绍在其他机械部件，研究人员高度重视滚动元件轴承由于其不容置疑的工业重要性。

滚动轴承中经常遇到的旋转机械由于其承载能力和低摩擦特性。

滚动轴承在不同的条件下工作，并经常在机械产生的沉重负荷下，他们受到时间和空间变化的动态载荷。

在轴承加载机制的复杂性，显示其效果形式当地缺陷。

重要的是，在其早期阶段检测，以防止长期故障或在某些情况下可能出现的灾难性故障的缺陷。

不同的监测技术用于工业，以防止机械故障引起的滚动元件轴承和新技术正在开发中。

振动分析之中，因为当地的缺陷产生连续的冲动，在每一个缺陷和滚动体的接触和房屋结构被迫在其振动监控应用中使用的最常见的方法自然模式。

损坏轴承的振动模式，包括在承重结构或机器的结构信息存储的影响和高频分量的低频组件。

受聘于不同技术的研究与滚动元件轴承，这些方法的一个详细审查号。

[1]在承重结构中包含的信息有关的异常振动信号是人为创造的理论思考，或从实验测量收集。

基本上，时域，频域和最近的时频域分析，提取有用信息的本地化缺陷的存在。

一套行之有效的模式，包括周围周长本地化缺陷和承重结构的脉冲响应滚动元件轴承负荷分布的建议。

[2]多点任意位置的缺陷情况进行了分析号。

[3]王和Harrap提出了平均同步时间和包络谱分析技术相结合的多元素滚动轴承缺陷诊断方法[4]。

自然模式被用来获取动态响应参环。

[5,6]和振动信号模拟组合不同的组件，如故障，由于非均匀的负载调制，内圈或外圈的模式，结构振动和噪音文献[7]。

如偏度和峰度的时域参数是用来分析的振动信号[8-11]。

一个错误的轴承振动信号由高频率振铃支配有关承重结构的自然模式和冲击频率被抑制频谱。

为了克服这一问题,包络图的方法,振铃减去共振从他们的包络和振动信号的代表的是指数衰减函数与频率相关的缺陷,是工作。

麦克法登和史密斯[12]提出了对高频共振技术的基本理解。

McFadden和Toozhy的高频共振技术结合同步平均法对滚动轴承进行振动监测[13]。

在短的时间，如频域方法的经典方法傅立叶分析已不被广泛使用，由于轴承振动信号的非平稳特性。

最近，提供变量的时间和频率分辨率的小波方法变得非常流行。

由研究人员经常使用此方法[14-18]。

最近，在使用要求的基础上追求一种提供优良的决议和稀疏度的新方法[19,20]。

除了使用状态监测研究中的振动信号，还用超声波频率的声波信号来监测轴承状况[21-24]。

研究人员使用人工神经网络，使振动信号达到为研究轴承的条件决定的时间和频域形式的培训网络的目的，然后获得不同的统计指标[25,26]。

有限元方法也被用来对滚动轴承缺陷检测的研究。

霍尔姆- 汉森和高[27]用有限元方法计算动态加载和外圈故障的速度变化中的变化。

Kıral和Karagulle[28]用轴承的结构模型在滚动轴承的动态加载的有限元模型，进行有限元振动分析，对不同的轴承几何形状和载荷条件进行外圈故障检测。

本研究的目的是模拟一个有不同的本地化缺陷的深沟球轴承和不平衡力与旋转轴在承重结构的加载机制。

本研究由于进行了轴承负载不同于其他研究。

在大多数与滚动元件轴承的动态有关的研究中，负载被视为一个点的负载，也就是说操作的方向和负载大小保持不变。

在现实生活中，由于在洗衣机内转鼓容量的非均匀分布，轴承上存在不平衡力。

承重结构动态负荷模型的得到需要考虑轴承的运动学和载荷类型，而结构振动响应的计算是通过有限元振动分析得到。

不同的参数，如转速，传感器的位置，角度位置和外圈缺陷的影响，振动监测方法的缺陷类型（内圈缺陷和滚动元件缺陷）是通过的时间和频域参数检查的。

二、轴承型号在与滚动轴承振动的研究，一个单点故障的滚动轴承振动信号x（t）表示为[7](1)其中x(f) 是由故障所产生的推动力，是由于负荷分布的不均匀的调制效果，是由轴承的结构决定的轴承引起的震动，是决定由机械结构或其他机械性振动组件，在任何测量系统遇到的噪声。

轴承和机械引起的振动是由具有结构共振频率阻尼振荡构成的，共振频率是由脉冲序列引起的，而此脉冲序列的振幅和周期性是由缺陷的位置、轴承性能和载荷分布决定的。

读者可以发现详细描述的信号元件在文献[7]。

振动响应x(t)主要由传递函数的轴承结构确定。

传递函数是是通过脉冲响应的承载结构估计出来的和使用该功能可以产生多种故障振动信号。

Loparo Ocak(29岁)运用结构传递函数轴给出了承振动模型。

此外,轴承几何结构模型可以通过利用有限元方法得到。

承重结构的振动响应的可以由适当的载荷模型计算出来。

在这项研究中,一个轴承结构外壳为6205型深沟球轴承在考虑之中。

采用有限元方法,以计算结构的动态响应。

有限元模型的结构被显示在图1。

房屋结构分散成23964 10-节点抛物线四面体元素，在每个节点有3自由度(ux, uy 和uz) 。

节点总数37 894。

房屋结构的材料是各向同性钢 E =206 GPa,,材料特性的外环是 E =206GPa,。

假定外壳结构受一个非平衡力。

旋转径向载荷的大小为500 N。

这个非平衡力不像径向载荷有恒定方向使轴旋转并激发整个结构。

该系统的非线性微分方程被写成(2)图1 .滚动轴承的结构(维度毫米)在M、C、K分别为:质量、阻尼和刚度矩阵。

,分别对节点的位移、速度及加速度矢量。

等式右边由关于时间的激励功能作用于每一个自由度有限元节点。

在这项研究中,承重结构被外环的内表面的移动的分布式径向载荷所激发。

等式（2）右边建立需考虑轴承运动学和径向载荷分布, 轴承结构的振动响应是在具有模拟的旋转非平衡力的一套激励函数作用下检查的。

在这项研究中所用的球轴承的外形尺寸如图2。

为进行有限元振动分析所形成动态载荷模型时应考虑载荷分布。

在一个滚动轴承、负荷分配的形式给出了图3。

分布式的形式给出了径向载荷[2],至于(3)在表示载荷分布的因素,给出了如参考[6]。

Cd表示了径向间隙，是在径向负荷方向最大偏差和的球轴承。

滚珠轴承的值介于0和0.5之间。

是在最大负荷强度，此时可近似为,是径向载荷，Z是滚珠的数量。

是载荷区的角度范围。

在外环频率为旋转速度下滚动体把径向载荷转移到外环，其中是轴承频率。

假定球轴承受到纯径向载荷时接触角为。

图2.球轴承的尺寸图3.载荷分布的形成图4.径向载荷的形式和参数图5.径向载荷的两种不同阶段已知轴承的结构的质量和刚度矩阵，根据频率和结构模态计算公式计算得(4)其中是承重结构的固有频率角向量和是模态载体。

式（2）中的主要的方程是由模态转换的模态形式表达（5）其中q被称为作为主向量并成为主要的未知数而[P]是由模态矩阵组成的标准模态向量。

式替代。

将式（5）用式（2）替换得（6）如果式式（6）预乘PT并应用正常模式下的正交特性，可以得到下面的等式：. （7）其中，u（t）为模态力向量和是固有频率矩阵对角线形式。

假设瑞利阻尼公式为，其中和分别为质量和刚度阻尼系数。

则式（7）可以写成[，（8）其中[I]是单位矩阵。

对于每一个方程，式（7）都可以写成标量形式（9）其中为第i模式的模态阻尼比为，并且所有模式的承重结构振动响应的计算均取值0.005。

承重结构的模态响应取决于时间步整合方法。

时间积分应用于式（9）中，并且耦合微分方程的解法源自Duhamel积分（10）模态位移q(t)，节点响应x(t)都是通过模态的叠加方程{x(t)}=[P]{q(t)}表达的。

获得80外圈的内表面上的节点，主要使用计算机辅助工程配套的IDEAS思路进行有限元振动分析。

在上面一节中所述模态叠加法主要用于振动分析，时间增量为，其中T10是标准承重结构模式的10倍。

在径向负荷的方向不变的情况下，轴旋转期间，装载区中心线的方向保持不变，滚动体定期进入然后退出装载区。

开始滚动元素的载荷幅值增加，然后通过加载区滚动元件的载荷幅值跌幅。

在这种情况下，在壳体的频率，球的数量和装载区的形状决定了创建外圈的内表面上的每个节点加载功能。

另一方面，在不平衡旋转的情况下，创建节点加载功能时，轴频率也应考虑。

在这项研究中，计算机代码的开发为了创建节点在具有图形用户界面的Visual Basic编程语言中的激励函数[31]。

发达的代码能够生成节点激励功能，分为不同的情况：方向恒定的负载（齿轮和滑轮部分），旋转不平衡力，外圈局部缺陷，内圈缺陷本地化，本地化缺陷对滚动体和可变负载的方向/幅度（在一个共同的反应机制下）。

缺陷的数量，或外圈的内表面上的缺陷位置（0度到360度之间），滚动元件缺陷的标签，滚动元素（Z）的数量，负荷区的参数（），轴的速度和时间历史旋转方向/幅度变负荷的情况都包含在变量计算机代码当中。

在不平衡力的作用下，轴承载荷的参数的形式如图4。

有限元模型的外圈滚道是仿照80节点如图4。

这些节点之间的间距都是同样一个角的时间间隔，负载区域中的节点数目满足, 其中N是满足条件|的节点数量。

如图4，θ代表旋转轴，表示节点在负荷区的角位置，表示球的角位置。

在附近的一球节点承受径向负荷。

这些考虑径向负荷，球的位置和圆形路径上的节点的位置确定节点。

一个节点存储在一群激发节点当中，如果满足以下条件：,（特别是即时的旋转）在加载模型当中，球被假定为最近的节点进行负载。

如果球在负荷区是第个节点，那么相关的力施加到第个节点，否则力施加到第（i +1）个节点。

一旦节点的标签被确定，根据其与负荷区对称轴的位置计算此节点上的作用力的大小。

图5所示的是径向载荷的两个不同阶段。

从图中观察，滚动体旋转频率（fc）和不同的滚动元件传输负载在外圈有不同的幅度，然后到房屋结构也有不同的程度。

它可以通过对滚动体和保持架的旋转频率和不同滚动体转移不同大小的载荷到外环然后到外壳结构的数字可以观察到。

在分析案例中,外环的内表面节点在任何紧急的旋转受到不同幅度负载，负荷大小不定期重复。

在处一个样品的加载功能如图6所给，其轴在九次循环中转速为1000转/分。

一个在节点处详细的负荷定义的观点的被显示在图7。