[发明专利]含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法

说明书

技术领域

本发明属于仿真分析领域，具体涉及到一种振动响应分析方法，特别是一种含有内圈、外圈或者滚动体单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法。

背景技术

滚动轴承是旋转机械中常用的通用部件，其动力学行为影响着整个系统的动力学行为，当其产生故障时，将诱发整个系统产生故障。据统计，旋转机械故障的30%是由轴承故障引起的，因此，针对滚动轴承开展状态监测和故障诊断研究对于维护设备的正常运转非常关键，但是，由于机理不清、采用技术不当和特征不明显等原因造成的误诊和漏诊扔时有发生。研究滚动轴承的故障产生与传播机理及故障监测与诊断技术具有重要的工程和理论价值。

获取轴承的响应信号是轴承故障诊断的基础和关键。传统的方法是通过人为设置故障进行实验获取振动信号或者等待生产中故障的自然发生，实验周期长、实验花费大。为了促进实际系统中变工况重载齿轮故障的诊断及预测技术的发展，建立产生与实际工况相符的特定故障滚动轴承信号的仿真模型是必要的。建立有效的轴承故障仿真工程模型，不用等待生产中故障的自然发生，可以根据需要直接产生不同种类故障，深入研究其故障机理和动态特征能为检测不同运行状态下的轴承故障提供更加精确的诊断方法。此外，故障仿真模型产生的信号还可以用来训练神经网络或者应用于支持向量机等智能诊断算法，自动识别和预测轴承故障类型，减少实际生产过程中无法获得大量故障样本的依赖性，有利于轴承故障诊断新方法的发展。

对于滚动轴承故障的机理，建立研究对象的动力学振动模型，并采用数值模拟技术展开深入研究是目前国际上普遍采用的方法。在轴承故障诊断中，滚动轴承局部表面损伤所激起的系统部件高频振动频率一般在5KHz以上，本发明在非线性赫兹接触力和径向力作用下，结合单元谐振器，通过调整其刚度和阻尼系数模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或者其它元件的高频固有振动，考虑滚珠滑移、油膜刚度等因素，建立滚动轴承的外圈、内圈及滚动体

发明内容

本发明为了更加精确高效并且准确的仿真滚动轴承单点故障振动响应，提出了一种单点故障滚动轴承仿真分析方法，用此方法仿真滚动轴承单点故障振动信号起到了可以仿真任何位置、任何大小故障，节约实验成本的有益效果，同时为滚动轴承复合故障仿真提供思路。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种含单点故障滚动轴承振动响应仿真分析方法包括以下步骤：

步骤1建立滚动轴承非线性振动模型和动力学微分方程组

基于赫兹接触理论，运用运动学和动力学相关知识，综合考虑滚珠滑移、油膜刚度和轴承非线性时变刚度等影响因素建立了5自由度滚动轴承非线性振动模型。

步骤2将故障引入到滚动轴承非线性振动模型中

根据当滚动轴承有故障时，接触到缺陷的滚珠的接触变形会发生变化，设置一个故障开关函数，将故障引入到滚珠接触变形公式中，并根据赫兹理论，借助变形求解接触力，将接触力代入到滚动轴承动力学方程组中，完成故障的引入。

步骤3建立不同故障的故障形状函数

将所有能出现的故障情况进行分类，根据类别的不同，建立不同的缺陷形状函数来代表不同的缺陷故障。

步骤4求解微分方程组并绘制轴承振动加速度响应图

利用Matlab软件中的ode求解器，编制程序，求解微分方程，最终求得外圈、内圈、滚动体分别含单点故障的轴承振动加速度响应曲线图；

所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于：所述步骤1）中考虑了滚动轴承的滚珠滑移，油膜刚度等因素，并且引入单元谐振器来模拟轴承发生损伤时被激起的轴承内外圈、传感器或者其它元件的高频固有振动，这样更接近轴承实际工况。

所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于：所述步骤2）中定义了一个故障开关函数，利用此函数将故障引入到滚动轴承振动模型中，完成了滚动轴承单点故障的数学表达，简单方便。

所述的含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，其特征在于：所述步骤3）中根据缺陷形状的不同采用不同的缺陷函数来表示缺陷，与以往的将故障设置为一个定值相比，这样能仿真含各种形状缺陷的滚动轴承的振动响应，使仿真结果更接近工况并且不再有局限性同时更接近实际情况。