[发明专利]一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法

摘要

本发明公开了一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，首先基于冲击时间差对实测信号进行初步诊断，获得外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸。再建立轴承系统非线性动力学模型，通过数值求解获得各缺陷尺寸对应的垂‑平同步仿真振动信号。针对缺陷角位置在270°的情况，分别对实测信号及各可选缺陷尺寸时的仿真信号进行傅里叶变换获得相应的幅值谱，并求解实测信号的最小诊断参数Min|ΔfN|，进而诊断出外圈缺陷尺寸。针对缺陷角位置处于250°～290°的情况，则基于垂‑平同步标准差建立外圈缺陷全尺寸定量诊断标准数据库，通过确定实测信号垂‑平同步标准差的归属区间，进而诊断出外圈缺陷尺寸。

主权项

一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，步骤1初步诊断滚动轴承外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸，将一对振动加速度传感器分别安装至轴承座的水平测点和垂直测点，测取轴承系统含故障时的垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)；将垂直方向振动加速度信号ay(t)和水平方向振动加速度信号ax(t)导入至计算机，绘制垂直方向振动加速度信号ay(t)的时域波形图，以时域波形图中的低频冲击点为起点，高频冲击点为终点，量取双冲击时间间隔ΔT，则诊断出外圈缺陷的基本尺寸Δφb为：Δφb＝360ΔTfc  (1)其中，fc为保持架转频，初步诊断外圈缺陷的n个可选尺寸为：Δφn=360(ΔTfc+nNb)---(2)]]>其中Nb为滚珠数量，n＝0,1,2,...,INT[(0.33‑ΔTfc)Nb]；步骤2建立含外圈缺陷轴承系统多自由度非线性动力学模型，将轴承系统分解为轴、轴承内圈、滚动体、保持架、轴承外圈和轴承座；将轴与内圈表示为一个集中质量的刚体mi，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟轴与内圈的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为kix和cix，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为kiy和ciy；将轴承座与外圈表示为一个集中质量的刚体mo，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟外圈与轴承座的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为kox和cox，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为koy和coy；以水平向右为起始位置，按逆时针顺序对滚珠进行编号，并以符号j表示滚珠的编号，则第j颗滚珠处的赫兹接触力Fj表示为：Fj=Kδj1.5,j=1,2,...Nb---(3)]]>其中K为赫兹接触刚度；δj为第j颗滚珠的接触变形；外圈缺陷有效深度轮廓d(φj)表示为：其中φf为外圈缺陷的角位置，h为缺陷深度，rb为滚珠半径，Ro为外滚道半径，Δφp为缺陷展开角，φj为第j颗滚珠的角位置；将外圈缺陷模型添加到轴承系统动力学模型中，推导出系统的动力学微分方程组；步骤3仿真滚动轴承外圈缺陷角位置φf＝270°时轴承系统振动加速度和固有频率，由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，基于MATLAB软件编制数值求解程序，获得φf＝270°时可选尺寸Δφn对应的系统垂‑平同步仿真振动加速度信号a'y,n(t)和a'x,n(t)，以及前四阶有阻尼时变固有频率：两个x方向固有频率ωx1,n(t)、ωx2,n(t)，两个y方向固有频率ωy1,n(t)、ωy2,n(t)；对a'y,n和a'x,n进行傅里叶变换，获得幅值谱A'x,n(f)和A'y,n(f)；在幅值谱A'x,n(f)中，分别找出固有频率ωx1,0(t)和ωx2,0(t)附近的频率峰值f'x1,n和f'x2,n；在幅值谱A'y,n(f)中，分别找出固有频率ωy1,0(t)和ωy2,0(t)附近的频率峰值f'y1,n和f'y2,n；步骤4诊断角位置φf＝270°处的滚动轴承外圈缺陷尺寸，若已知缺陷角位置φf＝270°，则将步骤1中的实测垂‑平同步信号进行傅里叶变换，获得实测垂‑平同步信号的幅值谱Ax(f)和Ay(f)；在幅值谱Ax(f)中，分别找出固有频率ωx1,0(t)和ωx2,0(t)附近的频率峰值fx1和fx2；在幅值谱Ay(f)中，分别找出固有频率ωy1,0(t)和ωy2,0(t)附近的频率峰值fy1和fy2；计算诊断参数Δfn：Δfn=(fx1-fx1,n′)+(fx2-fx2,n′)+(fy1-fy1,n′)+(fy2-fy2,n′)4---(5)]]>由公式(5)求解出|Δfn|取最小值时n的取值nf，则诊断外圈缺陷尺寸为：Δφf=360(ΔTfs+nfNb)---(6)]]>步骤5诊断缺陷角位置φf＝250°～290°时的滚动轴承外圈缺陷尺寸，若未知缺陷的角位置φf，则根据步骤3中所求解的φf＝270°时可选尺寸Δφn对应的系统垂‑平同步仿真振动加速度信号a'y,n(t)和a'x,n(t)，计算最大垂‑平同步标准差：σy/x,n(max)=Σi=1N(ay,n′(i)-a‾y,n′)2Σi=1N(ax,n′(i)-a‾x,n′)2---(7)]]>其中，N为数据点数；再由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，仿真求解φf＝250°时可选尺寸Δφn对应的系统垂‑平同步仿真振动加速度信号a”y,n(t)和a”x,n(t)，并计算最小垂‑平同步标准差：σy/x,n(min)=Σi=1N(ay,n′′(i)-a‾y,n′′)2Σi=1N(ax,n′′(i)-a‾x,n′′)2---(8)]]>建立外圈缺陷全尺寸定量诊断标准数据库：该数据库包含n个不相交的区间；计算实测含故障信号的垂‑平同步标准差：σy/x=Σi=1N(ay(i)-a‾y)2Σi=1N(ax(i)-a‾x)2---(10)]]>由公式(9)和(10)的计算结果，确定σy/x的归属区间，设此区间对应的n的取值为Nr，则诊断出外圈缺陷尺寸为：Δφr=360(ΔTfs+NrNb)---(11).]]>