[发明专利]分数阶阻尼滚动轴承故障动力学渐变模型建立的方法

说明书

本发明公开了一种分数阶阻尼滚动轴承故障动力学渐变模型建立的方法，在已获得滚动轴承接触等效刚度与等效阻尼的基础上，综合考虑有润滑剂影响和滚动体经过故障时对内圈自身变形量的影响，建立了含单一点蚀故障的滚动轴承渐变动力学模型；将分数阶微积分理论应用到滚动轴承中，推导出分数阶阻尼力的计算公式，分别建立考虑分数阶阻尼滚动轴承内圈故障模型、滚动轴承外圈故障模型和滚动轴承滚动体故障模型；本发明提出的模型具有全局性，能较好地反映系统的历史依赖过程；应用较少几个参数就可获得很好的效果；表示的物理意义更清晰，表述更简洁；模型考虑了滚动体和内圈之间的润滑油的影响。

技术领域

本发明涉及轴承动力学和故障诊断技术，特别涉及一种分数阶阻尼滚动轴承故障动力学渐变模型建立的方法。

背景技术

滚动轴承是各种机械中传递运动转子是旋转机械中最重要的零件，具有摩擦力小、启动容易、润滑简单和便于更换等优点，广泛用于精密仪器、航空航天、汽车、机床和机器人等领域。滚动轴承在运行过程中，由于润滑不良、疲劳、磨损等都可能使轴承过早损坏，统计数据表明旋转机械故障的30％是由轴承引起的。一旦轴承发生故障将会引发一系列的不良反应，轻则导致正在运行中的机器罢工甚至是生产线停工，给企业带来巨大的经济损失；重则危及相关工作人员的生命安全。因此为了确保旋转机械安全、平稳地高速运转，降低振动和噪声水平，提高生产效率，提升企业在社会中的竞争力，有必要针对滚动轴承的故障进行研究。

为了有效地诊断滚动轴承故障，许多学者在滚动轴承的故障机理和动力学特性等方面做了大量的研究工作，例如，Walters首次建立了包括滚动体、保持架的位移、转速和内部各元件的相对滑动等滚动轴承全部动力学特性的运动方程，建立了滚动轴承动力学模型。Harris在Walters的模型基础之上进一步深入研究，考虑了滚动体受力与力矩不平衡时产生的惯性力和惯性力矩，使得滚动轴承的动力学模型更加成熟。Gupta改进了滚动轴承动力学的分析方法，考虑了滚动轴承从开始启动的整个动力学过程，建立了较为完善的滚动轴承动力学分析模型。Meeks在Gupta的理论基础上进一步发展了滚动轴承动力学分析的模型，该模型把滚动体与保持架及保持架与套圈之间的接触处理为非完全弹性接触，建立了保持架六自由度动力学模型。Sopanen提出了一种具有六自由度的动力学模型，该模型考虑了赫兹接触变形和弹性流体动力学，给出了可以根据轴承的形状、材料特性和径向间隙计算的动力学模型。Cong基于动态载荷分析提出了滚动轴承故障模型，在该模型中考虑了冲击次数，并通过动力学和运动学分析，得出了故障计算方程。Kogan在经典动力学和动力学方程的基础之上，提出了三维轴承动力学模型，该模型使用双曲正切函数模拟摩擦力，使用Hertz接触弹簧阻尼模型来表示轴承各元件之间的相互作用。

虽然滚动轴承动力学建模取得一些进展，但是仍存在一些问题：第一，把点蚀缺陷理想化，即假设滚动体进入和离开故障区时会释放和获得全部变形量，没有把该过程考虑为渐变过程。第二，在实际的旋转机械中，有不少滚动轴承的故障是由于润滑剂的状况发生改变而引起的，由于有润滑剂的存在，滚动体和保持架与轴承内圈之间可以形成并保持一定厚度的弹性流体动压油膜，并产生润滑油粘性阻力，但是在此过程中并没有考虑润滑剂的影响。第三，都是以整数阶微积分为基础，很少考虑分数阶微积分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过改进滚动轴承动力学模型的分析方法，确保旋转机械安全、平稳地高速运转，降低振动和噪声水平，提高生产效率。

本发明解决上述技术问题采用以下技术方案，分数阶阻尼滚动轴承故障动力学渐变模型建立的方法，步骤如下：

1)在已获得滚动轴承接触等效刚度与等效阻尼的基础上，综合考虑有润滑剂影响和滚动体经过故障时对内圈自身变形量的影响，建立了含单一点蚀故障的滚动轴承渐变动力学模型；

2)将分数阶微积分理论应用到滚动轴承中，推导出分数阶阻尼力的计算公式，分别建立考虑分数阶阻尼滚动轴承内圈故障模型、滚动轴承外圈故障模型和滚动轴承滚动体故障模型；

a)所述滚动轴承内圈故障模型建立的具体步骤如下：