CN103292995B - 滚动轴承检测及故障诊断的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚动轴承检测及故障诊断装置，包括轴承固定模块、动力驱动模块、液压伺服模块、信号采集模块和计算机，本发明的装置能够在施加静态载荷的情况下，定点测量轴承在不同转角下的载荷-变形曲线。还涉及一种滚动轴承检测及故障诊断方法，采集轴承位移信号、液压伺服模块的压力与位移信号，以及转轴角位移信号，轴承三维静力学仿真系统结合这些信号进行轴承内外滚道和滚动体不同位置时三维载荷-变形的仿真计算，然后通过实测曲线与仿真曲线比较，实现轴承缺陷检测与故障的定量诊断处理。由于采用静态法诊断，避免了大量环境干扰因素的影响，提高了轴承缺陷检测的准确率。本发明能够很好地实现轴承缺陷的检测，以及故障的定量化诊断。

Description

滚动轴承检测及故障诊断的装置与方法

技术领域

本发明涉及轴承检测领域，特别涉及一种滚动轴承检测及故障诊断的装置与方法。

背景技术

滚动轴承是机械设备的重要零件，在机械行业中应用广泛。但是，滚动轴承也是最易损坏的零件之一。据统计，旋转机械故障中有30％是由滚动轴承引起的，滚动轴承故障监测和诊断一直是国内外机械故障诊断技术发展的重点。滚动轴承故障检测最原始的方法是采用听音棒(或螺丝刀)的方法，60年代出现了冲击脉冲计，70年代以后陆续发展了轴承监视仪和轴承检测仪。除了用振动信号监测轴承外，还发展了其它技术。如，油污染分析法(光谱测定、磁屑探测和铁谱分析)，声发射法，声响诊断和电阻法等，但使用得最广泛的还是振动监测法。

尽管目前有种类繁多的轴承故障检测仪，但这些仪器几乎都是用来诊断正在使用过程中的轴承，并且是采用动态的方法进行检测诊断。而没有考虑到轴承被制造出来，或者是安装到设备之前，这些轴承是否存在某些缺陷或故障，这是一个非常重要的轴承质量控制和质检环节。另外，采用振动、声发射、铁谱分析等方法检测轴承故障，实际上是基于轴承的动态检测，人们很难对动态运转的各种影响因素进行有效的控制，从而加大了轴承检测和诊断过程的难度，某些细微的缺陷和故障是很难通过动态的方法检测得到的。因此，即使是正在使用的轴承，理想的方式也应当是通过静态测试的方式来诊断轴承故障。

但是，在轴承静力学分析方面，由于一般的计算方法都是建立在所有滚动体均具有相同的形状和尺寸大小基础上的，可参考《滚动轴承设计原理》，邓四二，贾群义著，中国标准出版社，2008.12。对于存在滚动体尺寸不一致，以及滚动体、滚道、保持架有缺陷的情况，目前还无法进行滚动体受力的分析计算。因此，现有技术中还没有通过静态测试来诊断轴承故障的装置和方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服轴承静态测试中的不足，本发明提供一种滚动轴承检测及故障诊断的装置与方法，只要对滚动轴承施加一定的径向力，并按照施加静载的要求缓慢旋转轴承，定点测定轴承在静载荷条件下的载荷-变形曲线，就可以实现轴承缺陷的检测和故障诊断；检测轴承故障是在静态的环境进行的，可以实现各种细微缺陷的精确诊断，对轴承质检和轴承质量控制具有十分重要的现实意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种滚动轴承检测及故障诊断装置，包括

轴承固定模块，包括固定支座滚动轴承、活动支座滚动轴承和转动测试轴总成，所述转动测试轴总成包括固定转轴、心轴、活动转轴和套筒；所述固定转轴的一端和活动转轴的一端均具有插孔，所述心轴的两端分别插入固定在所述固定转轴和活动转轴的插孔内；所述固定支座滚动轴承和活动支座滚动轴承分别与所述固定转轴和活动转轴连接，用于对固定转轴和活动转轴的径向起固定作用；所述套筒套于心轴中部外表面，并且与心轴(5)固定配合连接，所述套筒的外径与被测轴承的内径相配，使被测轴承能够与套筒的运动同步；

动力驱动模块，与所述固定转轴的一端连接，用于驱动固定转轴按照静态加载的要求缓慢旋转；

液压伺服模块，用于给被测轴承施加径向力；

信号采集模块，由位移传感器、角位移传感器、缸内压力传感器和信号采集器组成，用于采集被测轴承的径向位移、液压伺服模块的位移和作用力、转动测试轴总成的角位移信号；所述角位移传感器靠近固定转轴或活动转轴设置，所述缸内压力传感器靠近所述液压伺服模块设置；和

计算机，包括轴承检测与故障诊断模块，由轴承三维静力学仿真计算子模块，轴承缺陷检测和故障诊断子模块，数字化音频测试模块，以及轴承缺陷故障知识库四个部分组成；所述轴承三维静力学仿真计算子模块包含轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型，用于仿真得到所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷和不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线，以及根据实测的信号采集模块的信号，仿真得到不同工况下的轴承载荷-变形曲线；所述轴承缺陷故障知识库存储有不同的轴承缺陷和轴承故障下相应的特征参数组合结果；所述轴承缺陷检测和故障诊断子模块用于根据实测载荷-变形曲线，与轴承三维静力学仿真计算子模块仿真得到的轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在理论上产生不同故障后的轴承载荷-变形曲线的符合程度，结合轴承缺陷故障知识库中的信息来进行轴承缺陷检测和故障诊断。数字化音频测试模块的建立可参考“黄仁东等，运用信号声音提高声波成析成像探测的针对性(J).西部探矿工程，2005”。

所述心轴两端呈锥体状，并且所述心轴的两端通过插销与所述固定转轴和活动转轴连接。

所述动力驱动模块包括相互连接的手摇杆和齿轮减速器，所述齿轮减速器与所述固定转轴的一端连接。

所述液压伺服模块包括左拉压轴承、右拉压轴承、主液缸拉压杆、用于驱动左拉压轴承的左伺服液缸、用于驱动右拉压轴承的右伺服液缸和用于驱动主液缸拉压杆的主伺服液缸；

所述信号采集模块的位移传感器包括左拉压位移传感器、右拉压位移传感器和主缸拉压杆位移传感器，所述左拉压位移传感器、右拉压位移传感器和主缸拉压杆位移传感器分别靠近左拉压轴承、右拉压轴承和主液缸拉压杆设置。

所述液压伺服模块底部设有用于使所述左伺服液缸、右伺服液缸和主伺服液缸能够绕其轴线左右转动一定转角θ的液缸转动轴。

还具有用于实现所述转动测试轴总成轴向固定的转轴压紧装置，所述转轴压紧装置包括依次设置的压紧摇杆、卡盘、内置弹簧和止推轴承；所述压紧摇杆驱动所述卡盘沿轴线左右移动。

所述活动支座滚动轴承下部设有用于驱动所述活动支座滚动轴承、活动转轴，以及转轴压紧装置沿固定转轴轴向移动的位移机构，所述位移机构包括驱动手柄、螺纹连接的导轨传动齿轮和驱动螺杆，所述驱动螺杆由驱动手柄驱动。

一种滚动轴承检测及故障诊断方法，包括以下步骤：

(S1)按照静态加载的要求，缓慢驱动固定转轴旋转，并且液压伺服模块同时对被测轴承缓慢加载径向载荷；

(S2)信号采集模块中的位移传感器、角位移传感器和缸内压力传感器分别测量得到被测轴承的径向位移和液压伺服模块的位移，固定转轴的角位移信号，以及液压伺服模块的作用力信号，通过信号处理后，将所采集到的信号传输给计算机；

(S3)所述计算机调用数字化音频测试模块对测量得到的各种信号进行数字化音频测试，以确定动态信号的特征、性质，获取轴承与整个测试系统可能存在的故障信息；

(S4)所述计算机根据实际测量结果作出轴承载荷-变形曲线；

(S5)利用步骤(S3)获得的信息，结合步骤(S4)的实测载荷-变形曲线，调用轴承缺陷故障知识库中的知识，进行轴承缺陷类型判别和故障的定性诊断；不同的轴承缺陷和轴承故障下相应的特征参数组合结果，均保存在所述的轴承缺陷故障知识库中；

(S6)所述的轴承三维静力学仿真子模块中，首先建立轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型，所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型是建立在接触理论的基础上的，并且基于拟刚体假设；

本发明的滚动轴承三维静力学系统有以下三点基本假设：

(a)所述的拟刚体指的是内外滚道与滚动体之间存在接触变形，滚道的其它部分为无变形的物体；

(b)由于是静力加载，轴承运动相当慢，因此，滚动体在滚道内做纯滚动运动。除了滚动体与内外滚道、保持架之间的接触作用力之外，离心力和其它作用力可以忽略不计。

(c)轴承受力变形时，滚道与滚动体之间的接触变形服从以下接触变形方程：

F_jm＝K_njmδ_jm ⁿ   (1)

式(1)中F_jm——滚道与第m个滚动体之间的点接触力，j为接触位置，即与内滚道接触或与外滚道接触；

K_njm——第m个滚动体与内外接触点之间的负荷-变形常数；

δ_jm——第m个滚动体的接触变形量；

n——系数，在理论上对于球形点接触n＝1.5，线接触n＝10/9；实际的取值可以通过实验测试来确定，测试方法是本领域技术人员公知的，这里不作赘述。

在轴承内外圈、保持架发生相互之间的位移(或错动)，以及相互转动的情况下，处于特定位置下的滚动体在外力作用下与内外滚道和保持架的接触，接触点的变形和受力根据实际的几何空间协调关系式来确定。在满足几何空间协调关系的前提下，各滚动体与内外圈、保持架之间的作用力总和满足力学平衡条件。

根据滚动体受力平衡方程，以及静摩擦力条件，发明人发现，在无保持架接触力作用的前提下滚动体的静力平衡满足：

$\left|{\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{im}}\right|=\left|{\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{em}}\right|,(m=\mathrm{1,2,3},......,N)---\left(2a\right)$

${\stackrel{\→}{F}}_m=\±\frac{1}{2}[(F_{\mathrm{emx}}-F_{\mathrm{imx}})\stackrel{\→}{i}+(F_{\mathrm{emy}}-F_{\mathrm{imy}})\stackrel{\→}{j}+(F_{\mathrm{emz}}-F_{\mathrm{imz}})\stackrel{\→}{k}]---\left(2b\right)$

式(2a)和(2b)中N为轴承所含的滚动体数量；为第m个滚动体外作用力的合力；F_emx、F_emy、F_emz分别为第m个滚动体与外滚道之间接触点的接触力F_em的分量；F_imx、F_imy、F_imz分别为第m个滚动体与滚内道之间接触点的接触力F_im的分量。

当的作用力方向由外圈指向轴承中心时取正值，否则取负值。显然，作用在轴承上的外力应当与滚动体所受作用力的合力相平衡，故存在如下关系式：

$\stackrel{\→}{Q}+\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{\→}{F}}_m+m_m\stackrel{\→}{g})=0---\left(2\right)$

式(2)中为作用在轴承上的外力；m_m为滚动体质量；为重力加速度矢量。

在转轴旋转一定的转角之后，由于滚动体与滚道之间做纯滚动运动。则不同的转角下所有滚动体与内外滚道发生接触作用时，它们的载荷-变形情况可以通过式(1)的接触变形方程和式(2)的受力平衡条件来确定。所述轴承三维静力学仿真计算子模块根据实测被测轴承在所述固定转轴不同角位移下的载荷-位移数据、式(1)和式(2)，并结合步骤(S5)获得的轴承缺陷和故障信息，针对可能的缺陷和故障开展轴承三维静力学仿真分析，获得所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷或不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线。

所述的轴承三维静力学仿真子模块对于不同工况下滚动轴承载荷-变形关系的仿真具体流程，包括以下步骤：(1)给定轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型、各组成元件的初始位置，以及轴承的外载荷(2)计算确定轴承各组成元件的空间坐标位置，以及滚动体与内外滚道的接触点坐标；(3)采用一维优化搜索计算方法计算确定轴承受到外载荷作用下的变形；(4)提取给定转轴转角下的轴承载荷-变形数据；(5)判断仿真是否结束，如果不是，则给定新的转轴转角后，返回步骤(2)；如果是，则根据仿真结果作出轴承在不同转角下的载荷-变形曲线。

(S7)所述轴承缺陷检测和故障诊断子模块根据所述轴承三维静力学仿真计算子模块获得的所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷和不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线，与实测轴承载荷-变形曲线进行对比分析，根据曲线之间的符合程度，结合轴承缺陷故障知识库中的信息来确定轴承缺陷，并进行故障的定量预测；

(S8)轴承缺陷与故障类型的判定与定量化预报显示。

所述的信号采集模块中的位移传感器、角位移传感器和缸内压力传感器，采样率均不小于10kHz。

本发明的有益效果是，本发明的装置能够按照静态或准静态运动的要求，在施加静态载荷时进行轴承在不同转角下载荷-变形曲线的定点测量；并采用轴承三维静力学仿真计算模块，分析计算按照静态的方式缓慢旋转轴承时，在无缺陷和不同缺陷情况下轴承的载荷-变形曲线。通过轴承位移信号、液压伺服模块加载时的压力、位移信号，以及固定转轴的角位移信号的采集、整理，信号的处理分析，分析结果的显示，液压伺服模块压力-位移信号输入到计算机后，计算机进行轴承三维静力学仿真计算，实测曲线与仿真曲线的比较，以及数字化音频测试技术，来实现轴承缺陷的检测与故障诊断处理，解决了轴承制造出来后，轴承组装到使用转轴之前，以及轴承使用过程中轴承缺陷的检测与诊断。由于采用静态法诊断，避免了大量环境干扰因素的影响，极大地提高了轴承缺陷检测的准确率，例如，不同位置故障之间的干扰可以排除：通过多圈旋转轴承，如果出现每一圈的实测曲线不相同，则说明其中某一曲线上有故障重叠。由于结合了三维轴承仿真分析技术，本发明能够很好地实现轴承缺陷的检测，以及故障的定量化预测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的滚动轴承检测及故障诊断装置最优实施例的结构示意图。

图2是转轴连接结构示意图。

图3是上轴承座结构示意图，图(a)是上轴承座的正视图，图(b)是上轴承座的侧视图，图(c)是上轴承座的俯视图。

图4是下轴承座结构示意图，图(a)是下轴承座的正视图，图(b)是下轴承座的侧视图，图(c)是下轴承座的俯视图。

图5是图1的A-A剖面图。

图6是转轴压紧装置的组装示意图。

图7是被测轴承的组装示意图。

图8是轴承测试操作流程图。

图9是轴承受力示意图；其中，F_e1、F_e2、F_e3分别为第1、2、3个滚动体与外滚道之间的接触变形力；F为转轴施加给轴承内滚道的作用力；F_x、F_y、F_z为作用力F在x、y、z方向的作用力分量；F_i、F_e分别为滚珠与内滚道之间、滚珠与外滚道之间的接触变形力；F_ix、F_iy、F_iz为F_i在x、y、z方向上的作用力分量；F_ix、F_iy、F_iz为F_i在x、y、z方向上的作用力分量；F_fi、F_fe分别为滚珠与内滚道之间、滚珠与外滚道之间的接触摩擦力。

图10是不同工况滚动轴承载荷-变形关系仿真的具体流程图。

图中1-手摇杆，2-齿轮减速器，3-固定转轴，4-固定支座轴承，5-心轴，6-左拉压轴承，7-测试轴承，8-套筒，9-右拉压轴承，10-活动转轴，11-活动支座轴承，12-导轨传动齿轮，13-驱动螺杆，14-驱动手柄，15-转轴压紧装置，16-信号采集器，17-计算机，18-角位移传感器，19-缸内压力传感器，20-右拉压位移传感器，21-液缸转动轴，22-右伺服液缸，23-主缸拉压杆位移传感器，24-主伺服液缸，25-主液缸拉压杆，26-左伺服液缸，27-左拉压位移传感器，28-承托环，29-止推轴承，30-内置弹簧，31-卡盘，32-壳体，33-压紧摇杆，34-插销，35-插销孔，36-提环螺孔，37-拉压杆螺孔。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明的滚动轴承检测及故障诊断装置最优实施例的结构示意图，包括

轴承固定模块，包括固定支座滚动轴承4、活动支座滚动轴承11和转动测试轴总成，所述转动测试轴总成包括固定转轴3、心轴5、活动转轴10和套筒8；所述固定转轴3的一端和活动转轴10的一端均具有插孔，所述心轴5的两端分别插入到所述固定转轴3和活动转轴10的插孔内，并通过插销34实现连接固定；所述固定支座滚动轴承4和活动支座滚动轴承11分别与所述固定转轴3和活动转轴10连接，用于对固定转轴3和活动转轴10的径向起固定作用；所述套筒8套于心轴5中部的外表面，并且与心轴5固定配合连接，套筒8的外径与被测轴承7的内径相配，使被测轴承7能够与套筒8的运动同步；

动力驱动模块，与所述固定转轴3的一端连接，用于驱动固定转轴3按照静态加载的要求缓慢旋转；

液压伺服模块，用于给被测轴承施加径向力；

信号采集模块，由位移传感器、角位移传感器18、缸内压力传感器19和信号采集器16组成，用于采集被测轴承7的径向位移、液压伺服模块的位移和作用力、转动测试轴总成的角位移信号；所述角位移传感器18靠近固定转轴3或活动转轴10设置；所述缸内压力传感器19靠近所述液压伺服模块设置；角位移传感器18用来测量固定转轴3的转角，随着液压杆作用力的增大，轴承的径向位移也逐渐增大，每个测点可以得到一条轴承径向位移-载荷曲线；不同工况下对应不同转角的这些载荷-变形曲线是不一样的；随着转轴缓慢、连续的旋转，针对不同的工况在每个测点处也可以得到一条连续变化的载荷-变形曲线；和

计算机17，包括轴承检测与故障诊断模块，由轴承三维静力学仿真计算子模块，轴承缺陷检测和故障诊断子模块，数字化音频测试模块，以及轴承缺陷故障知识库四个部分组成；所述轴承三维静力学仿真计算子模块包含轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型，用于仿真得到所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷和不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线，以及根据实测的信号采集模块的信号，仿真得到不同工况下的轴承载荷-变形曲线；所述轴承缺陷故障知识库存储有不同的轴承缺陷和轴承故障下相应的特征参数组合结果；所述轴承缺陷检测和故障诊断子模块用于根据实测载荷-变形曲线，与轴承三维静力学仿真计算子模块仿真得到的轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在理论上产生不同故障后的轴承载荷-变形曲线的符合程度，结合轴承缺陷故障知识库中的信息来进行轴承缺陷检测和故障诊断。

图2是转轴连接示意图，所述心轴5两端呈锥体状，与两边的固定转轴3和活动转轴10紧密接触来实现轴与轴的对中。

所述动力驱动模块包括相互连接的手摇杆1和齿轮减速器2，所述齿轮减速器2与所述固定转轴3的一端连接。

所述液压伺服模块包括左拉压轴承6、右拉压轴承9、承托环28、主液缸拉压杆25、用于驱动左拉压轴承6的左伺服液缸26、用于驱动右拉压轴承9的右伺服液缸22和用于驱动主液缸拉压杆25的主伺服液缸24；承托环28与左拉压轴承6和右拉压轴承9配合使用。左伺服液缸通过左拉压杆与左拉压轴承6连接，右伺服液缸通过右拉压杆与右拉压轴承9连接，左拉压轴承6和右拉压轴承9均通过轴承座分别与左拉压杆和右拉压杆螺纹连接。

如图3所示，是与拉压杆连接的上轴承座的结构示意图，如图4所示，是下轴承座的结构示意图。上轴承座和下轴承座基本上对称，不同之处是：上轴承座顶部加工有较小的提环螺孔36，用于安装轴承座提环，以方便上轴承座的装卸。下轴承座下部加工有较大的拉压杆螺孔37，用于与左/右拉压杆之间的连接。

所述信号采集模块的位移传感器包括左拉压位移传感器27、右拉压位移传感器20和主缸拉压杆位移传感器23，所述左拉压位移传感器27、右拉压位移传感器20和主缸拉压杆位移传感器23分别靠近左拉压轴承6、右拉压轴承9和主液缸拉压杆25设置，用来测量三个液缸的液压杆位移信号。

如图5所示，是伺服液缸转动范围的示意图。所述液压伺服模块底部设有用于使所述左伺服液缸26、右伺服液缸22和主伺服液缸24能够绕其轴线转动一定角度θ的液缸转动轴21，以方便轴承的装配。

还具有用于实现所述转动测试轴总成轴向固定的转轴压紧装置15，如图6所示，所述转轴压紧装置15包括依次设置的压紧摇杆33、卡盘31、内置弹簧30和止推轴承29；所述压紧摇杆33驱动所述卡盘31沿轴线左右移动。止推轴承29及内置弹簧30依次组装在卡盘31上，并置于壳体32内，压紧摇杆33通过螺纹联接在壳体32上，整套装置通过止推轴承29安装在活动转轴10上。通过缓慢摇动所述压紧摇杆33，压紧所述卡盘31，由于弹簧30受压变形，使得所述卡盘31压紧在活动转轴10上。所述的转轴压紧装置15能够通过压紧摇杆33来推动卡盘31沿轴线左右移动，由此来增大或卸除内置弹簧30对止推轴承29的作用力，在止推轴承轴向压力的作用下整个转动测试轴总成实现轴向固定，避免出现轴向错动，影响测试。

如图1所示，所述活动支座滚动轴承11下部设有用于驱动所述活动支座滚动轴承11、活动转轴10，以及转轴压紧装置15沿固定转轴3轴向移动的位移机构，所述位移机构包括驱动手柄14、螺纹连接的导轨传动齿轮12和驱动螺杆13，所述驱动螺杆13由驱动手柄14驱动。通过手摇驱动手柄14来旋转驱动螺杆13，所述的驱动螺杆13带动导轨传动齿轮12运动，所述的导轨传动齿轮12驱动所述活动支座滚动轴承11与所述活动转轴10，以及转轴压紧装置15沿着转轴中心线方向左右移动，实现轴承测试系统的装配与拆卸。

图7是被测轴承7的组装示意图，首先将被测轴承7安装到与其尺寸相配的套筒8上，然后将心轴5插入套筒8中。接着在心轴5两端分别装配左拉压轴承6、右拉压轴承9，以及承托环28。如图1所示，将组装完毕的组件插入固定转轴3中，摇动驱动手柄14带动活动支座轴承11和转轴压紧装置15向左边移动，并将心轴5插入活动转轴10内；继续摇动驱动手柄14，直至固定转轴3、承托环28、左拉压轴承6、套筒8、右拉压轴承9、活动转轴10以一定的压力紧压在一起。

一种滚动轴承检测及故障诊断方法，图8给出了流程示意图，包括以下步骤：

(S1)按照静态加载的要求，缓慢驱动固定转轴3旋转，并且液压伺服模块同时对被测轴承7缓慢加载径向载荷；在旋转过程中，转轴的转速应当尽可能慢，以便降低旋转过程中的动态干扰，并保持轴承滚动体做纯滚动运动。液压伺服模块也按照静态施加作用力的要求对轴承施加径向载荷。

(S2)信号采集模块中的位移传感器、角位移传感器18和缸内压力传感器19分别测量得到被测轴承7的径向位移和液压伺服模块的位移，固定转轴3的角位移信号，以及液压伺服模块的作用力信号，通过信号处理后，将所采集到的信号传输给计算机17；所述的信号采集模块中的位移传感器、角位移传感器18和缸内压力传感器19，采样率均不小于10kHz。

(S3)所述计算机17调用数字化音频测试模块对测量得到的各种信号进行数字化音频测试，以确定动态信号的特征、性质，获取轴承与整个测试系统可能存在的故障信息。

(S4)所述计算机17根据实际测量结果作出轴承载荷-变形曲线。

(S5)利用步骤(S3)获得的信息，结合步骤(S4)的实测载荷-变形曲线，调用轴承缺陷故障知识库中的知识，进行轴承缺陷类型判别和故障的定性诊断；不同的轴承缺陷和轴承故障下相应的特征参数组合结果，均保存在所述的轴承缺陷故障知识库中。

(S6)所述的轴承三维静力学仿真子模块中，首先建立轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型，图9就是滚动体三维静力分析示意图。所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型是建立在接触理论的基础上的，并且基于拟刚体假设；

所述的拟刚体指的是内外滚道与滚动体之间存在接触变形，滚道的其它部分为无变形的物体；

轴承受力变形时，滚道与滚动体之间的接触变形服从以下接触变形方程：

F_jm＝K_njmδ_jm ⁿ   (1)

式(1)中F_jm——滚道与第m个滚动体之间的点接触力，j为接触位置，即与内滚道接触，或与外滚道接触；

K_njm——第m个滚动体与内外接触点之间的负荷—变形常数；

δ_jm——第m个滚动体的接触变形量；

n——系数，在理论上对于球形点接触n＝1.5，线接触n＝10/9。

受力平衡条件满足以下关系式：

$\stackrel{\→}{Q}+\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{\→}{F}}_m+m_m\stackrel{\→}{g})=0---\left(2\right)$

式(2)中N为轴承所含的滚动体数量；为第m个滚动体外作用力的合力，当的作用力方向由外圈指向轴承中心时取正值，否则取负值；为作用在轴承上的外力；m_m为滚动体质量；为重力加速度矢量；

所述轴承三维静力学仿真计算子模块根据实测被测轴承7在所述固定转轴3不同角位移下的载荷-位移数据、式(1)和式(2)，并结合步骤(S5)获得的轴承缺陷和故障信息，针对可能的缺陷和故障开展轴承三维静力学仿真分析，获得所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷或不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线。

如图10所示，是所述的轴承三维静力学仿真子模块对于不同工况下滚动轴承载荷-变形关系的仿真具体流程，包括以下步骤：(1)给定轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型、各组成元件的初始位置，以及轴承的外载荷(2)计算确定轴承各组成元件的空间坐标位置，以及滚动体与内外滚道的接触点坐标；(3)采用一维优化搜索计算方法计算确定轴承受到外载荷作用下的变形；(4)提取给定转轴转角下的轴承载荷-变形数据；(5)判断仿真是否结束，如果不是，则给定新的转轴转角后，返回步骤(2)；如果是，则根据仿真结果作出轴承在不同转角下的载荷-变形曲线。

(S7)所述轴承缺陷检测和故障诊断子模块根据所述轴承三维静力学仿真计算子模块获得的所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷和不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线，与实测轴承载荷-变形曲线进行对比分析，根据曲线之间的符合程度，结合轴承缺陷故障知识库中的信息来确定轴承缺陷，并进行故障的定量预测。

(S8)轴承缺陷与故障类型的判定与定量化预报显示。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：包括

轴承固定模块，包括固定支座滚动轴承(4)、活动支座滚动轴承(11)和转动测试轴总成，所述转动测试轴总成包括固定转轴(3)、心轴(5)、活动转轴(10)和套筒(8)；所述固定转轴(3)的一端和活动转轴(10)的一端均具有插孔，所述心轴(5)的两端分别插入固定在所述固定转轴(3)和活动转轴(10)的插孔内；所述固定支座滚动轴承(4)和活动支座滚动轴承(11)分别与所述固定转轴(3)和活动转轴(10)连接，用于对固定转轴(3)和活动转轴(10)的径向起固定作用；所述套筒(8)套于心轴(5)中部外表面，并且与心轴(5)固定配合连接，所述套筒(8)的外径与被测轴承(7)的内径相配，使被测轴承(7)能够与套筒(8)的运动同步；

动力驱动模块，与所述固定转轴(3)的一端连接，用于驱动固定转轴(3)按照静态加载的要求缓慢旋转；

液压伺服模块，用于给被测轴承施加径向力；

信号采集模块，由位移传感器、角位移传感器(18)、缸内压力传感器(19)和信号采集器(16)组成，用于采集被测轴承(7)的径向位移、液压伺服模块的位移和作用力、转动测试轴总成的角位移信号；所述角位移传感器(18)靠近固定转轴(3)或活动转轴(10)设置，所述缸内压力传感器(19)靠近所述液压伺服模块设置；和

计算机(17)，包括轴承检测与故障诊断模块，由轴承三维静力学仿真计算子模块，轴承缺陷检测和故障诊断子模块，数字化音频测试模块，以及轴承缺陷故障知识库四个部分组成；所述轴承三维静力学仿真计算子模块包含轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型，用于仿真得到所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷和不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线，以 及根据信号采集模块实测的信号，仿真得到不同工况下的轴承载荷-变形曲线；所述轴承缺陷故障知识库存储有不同的轴承缺陷和轴承故障下相应的特征参数组合结果；所述轴承缺陷检测和故障诊断子模块用于根据实测载荷-变形曲线，与轴承三维静力学仿真计算子模块仿真得到的轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在理论上产生不同故障后的轴承载荷-变形曲线的符合程度，结合轴承缺陷故障知识库中的信息来进行轴承缺陷检测和故障诊断。

2.如权利要求1所述的滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：所述心轴(5)两端呈锥体状，并且所述心轴(5)的两端通过插销与所述固定转轴(3)和活动转轴(10)连接。

3.如权利要求1所述的滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：所述动力驱动模块包括相互连接的手摇杆(1)和齿轮减速器(2)，所述齿轮减速器(2)与所述固定转轴(3)的一端连接。

4.如权利要求1所述的滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：所述液压伺服模块包括左拉压轴承(6)、右拉压轴承(9)、主液缸拉压杆(25)、用于驱动左拉压轴承(6)的左伺服液缸(26)、用于驱动右拉压轴承(9)的右伺服液缸(22)和用于驱动主液缸拉压杆(25)的主伺服液缸(24)；

所述信号采集模块的位移传感器包括左拉压位移传感器(27)、右拉压位移传感器(20)和主缸拉压杆位移传感器(23)，所述左拉压位移传感器(27)、右拉压位移传感器(20)和主缸拉压杆位移传感器(23)分别靠近左拉压轴承(6)、右拉压轴承(9)和主液缸拉压杆(25)设置。

5.如权利要求4所述的滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：所述液压伺服模块底部设有用于使所述左伺服液缸(26)、右伺服液缸(22)和主伺服液缸(24)能够绕其轴线左右转动一定转角θ的液缸转动轴(21)。

6.如权利要求1所述的滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：还具有用于实现所述转动测试轴总成轴向固定的转轴压紧装置(15)，所述转轴压紧装置(15)包括依次设置的压紧摇杆(33)、卡盘(31)、内置弹簧(30)和止推轴承(29)；所述压紧摇杆(33)驱动所述卡盘(31)沿轴线左右移动。

7.如权利要求6所述的滚动轴承检测及故障诊断装置，其特征在于：所述活动支座滚动轴承(11)下部设有用于驱动所述活动支座滚动轴承(11)、活动转轴(10)，以及转轴压紧装置(15)沿固定转轴(3)轴向移动的位移机构，所述位移机构包括驱动手柄(14)、螺纹连接的导轨传动齿轮(12)和驱动螺杆(13)，所述驱动螺杆(13)由驱动手柄(14)驱动。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的滚动轴承检测及故障诊断装置的滚动轴承检测及故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)按照静态加载的要求，缓慢驱动固定转轴(3)旋转，并且液压伺服模块同时对被测轴承(7)缓慢加载径向载荷；

(S2)信号采集模块中的位移传感器、角位移传感器(18)和缸内压力传感器(19)分别测量得到被测轴承(7)的径向位移和液压伺服模块的位移，固定转轴(3)的角位移信号，以及液压伺服模块的作用力信号，通过信号处理后，将所采集到的信号传输给计算机(17)；

(S3)所述计算机(17)调用数字化音频测试模块对测量得到的各种信号进行数字化音频测试，以确定动态信号的特征、性质，获取轴承与整个测试系统可能存在的故障信息；

(S4)所述计算机(17)根据实际测量结果作出轴承载荷-变形曲线；

(S5)利用步骤(S3)获得的信息，结合步骤(S4)的实测载荷-变形曲线，调用轴承缺陷故障知识库中的知识，进行轴承缺陷类型判别和故障的定性诊断；

(S6)所述的轴承三维静力学仿真子模块中，首先建立轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型，所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型是建立在接触理论的基础上的，并且基于拟刚体假设；

所述的拟刚体指的是内外滚道与滚动体之间存在接触变形，滚道的其它部分为无变形的物体；

轴承受力变形时，滚道与滚动体之间的接触变形服从以下接触变形方程：

F_jm＝K_njmδ_jm ⁿ   (1)

式(1)中F_jm——滚道与第m个滚动体之间的点接触力，j为接触位置，即与内滚道接触，或与外滚道接触；

K_njm——第m个滚动体与内外接触点之间的负荷-变形常数；

δ_jm——第m个滚动体的接触变形量；

n——系数，在理论上对于球形点接触n＝1.5，线接触n＝10/9；

受力平衡条件满足以下关系式：

式(2)中N为轴承所含的滚动体数量；为第m个滚动体外作用力的合力，当的作用力方向由外圈指向轴承中心时取正值，否则取负值； 为作用在轴承上的外力；m_m为滚动体质量；为重力加速度矢量；

所述轴承三维静力学仿真计算子模块根据实测被测轴承(7)在所述固定转轴(3)不同角位移下的载荷-位移数据、式(1)和式(2)，并结合步骤(S5)获得的轴承缺陷和故障信息，针对可能的缺陷和故障开展轴承三维静力学仿真分析，获得所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷或不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线；

(S7)所述轴承缺陷检测和故障诊断子模块根据步骤(S6)中获得的所述轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型在无缺陷和不同缺陷情况下的轴承载荷-变形曲线，与实测轴承载荷-变形曲线进行对比分析，根据曲线之间的的符合程度，结合轴承缺陷故障知识库中的信息来确定轴承缺陷，并进行故障的定量预测；

(S8)轴承缺陷与故障类型的判定与定量化预报显示。

9.如权利要求8所述的滚动轴承检测及故障诊断方法，其特征在于：所述的轴承三维静力学仿真子模块对于不同工况下滚动轴承载荷-变形关系的仿真流程为：(1)给定轴承各组成元件三维接触静力-变形分析模型、各组成元件的初始位置，以及轴承的外载荷(2)计算确定轴承各组成元件的空间坐标位置，以及滚动体与内外滚道的接触点坐标；(3)采用一维优化搜索计算方法计算确定轴承受到外载荷作用下的变形；(4)提取在给定转轴转角下的轴承载荷-变形数据；(5)判断仿真是否结束，如果不是，则给定新的转轴转角后，返回步骤(2)；如果是，则根据仿真结果作出轴承在不同转角下的载荷-变形曲线。

10.如权利要求8所述的滚动轴承检测及故障诊断方法，其特征在于：所述的信号采集模块中的位移传感器、角位移传感器(18)和缸内压力传感器(19)，采样率均不小于10kHz。