CN114136617A - 高速主轴轴承动态监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速主轴轴承动态监测方法，属于轴承状态监测领域。本发明针对现有通过监控整机转子系统的转速和振动指标实现轴承状态监测的方法，不能直接反映轴承状态的问题。包括：采集主机工作时的转子转速信号和转子转频信号，进行频谱分析，分离出轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速；对角接触球轴承，由轴承内圈实时转速和保持架实时转速计算获得轴承实时接触角，进而确定角接触球轴承动态；对于角接触球轴承和圆柱滚子轴承，由轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速计算获得滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度，进而确定轴承动态。本发明用于轴承动态监测。

Description

高速主轴轴承动态监测方法
技术领域
本发明涉及高速主轴轴承动态监测方法，属于轴承状态监测领域。
背景技术
当前，在各类动力机械以及涡轮机械中，大量使用了高速乃至超高速工作的主轴轴承作为转子支承，这些轴承工作转速极高，装配于机械核心支撑部位，其稳定运转对主机性能及寿命极其重要。因为这类轴承的特殊应用方式，在使用中均处于主轴间或轮盘内部，无法进行直接监控和维护，不能有效获知其工作状态。
针对这一问题，现有主轴轴承的状态检测方法主要采用三种方式：第一种是通过整机润滑系统的金属屑末量讲行监控；第二种是根据整机转子系统的转速和振动指标进行监控；第三种是定期停机大修分解进行轴承检查。以上方法中，第一种需要在油路末端安装金属报警装置或定期抽取油样，在应用中存在滞后性，且会受到各种相似成分磨屑的干扰，不能实时反映轴承状态；第二种受到传感器的安装检测点位限制，使用中只能间接采集转子的数据，不能直接反映轴承状态；第三种方法虽然可以直观地进行轴承检查，但其成本高、工序多、耗时长，不可能在服役周期内频繁进行。
发明内容
针对现有通过监控整机转子系统的转速和振动指标实现轴承状态监测的方法，不能直接反映轴承状态的问题，本发明提供一种高速主轴轴承动态监测方法。
本发明的一种高速主轴轴承动态监测方法，包括，
采集主机工作时的转子转速信号和转子转频信号，并进行频谱分析，分离出轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速；
对于角接触球轴承，根据轴承内圈实时转速和保持架实时转速计算获得轴承实时接触角，由轴承实时接触角确定角接触球轴承动态；
对于角接触球轴承和圆柱滚子轴承，根据轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速计算获得滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度，由滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度确定相应轴承动态。
根据本发明的高速主轴轴承动态监测方法，所述轴承实时接触角的计算方法包括：
Figure BDA0003381666200000011
式中αR为轴承实时接触角，Ni为轴承内圈实时转速，Nc为保持架实时转速，D为轴承外径，d为轴承内径，Dw为球直径。
根据本发明的高速主轴轴承动态监测方法，由轴承实时接触角确定角接触球轴承动态的方法包括：
若αR＞α，则角接触球轴承为过载或爬坡状态；
若αR＜α，则角接触球轴承为空载或打滑情况；
若αR＝α，则角接触球轴承正常运行；
其中α为轴承正常接触角。
根据本发明的高速主轴轴承动态监测方法，所述滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度的计算方法包括：
Nr＝c，
Figure BDA0003381666200000021
式中Nr为滚动体实时公转速度，NR为滚动体无滑动公转速度，No为轴承外圈实时转速。
根据本发明的高速主轴轴承动态监测方法，由滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度确定相应轴承动态的方法包括：
若Nr＞ＮR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承的旋转存在滑动；
若Nr＜NR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承的旋转存在阻滞；
若Nr＝NR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承正常运行。
本发明的有益效果：本发明采用主轴轴承保持架实时转速这一中介指标，以主机工作可直接实时获取的转子转速及转频监控信号为输入，获得对应的主轴轴承实时工作接触角及滚动体公转转速，实现对角接触球和圆柱滚子类型高速主轴轴承的工作状态核心参数的实时、直接监控。
本发明利用现有高速动力机械中已成熟的转速和转频监控数据，结合轴承基础设计参数(内径、外径、滚动体径、接触角等)，实现对高速主轴轴承的工作状态核心参数(轴承实时接触角、滚动体实时公转速度、滚动体无滑动公转速度等)实时监测，并结合各参数动态判据，实现对高速主轴轴承承载、运转、滑动等具体状态的分析判定。
本发明方法可实时在线并非接触式进行主轴轴承的状态监测，使用中对高速转子运转及结构无任何影响，可以满足动力机械实时或视情开展的主轴轴承状态分析、问题诊断、故障预防等的需求。
附图说明
图1是本发明所述高速主轴轴承动态监测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种高速主轴轴承动态监测方法，包括，
采集主机工作时的转子转速信号和转子转频信号，并进行频谱分析，分离出轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速、保持架实时转速和保持架实时转频；形成轴承内圈、外圈、保持架实时工作转速数据；
对于角接触球轴承，根据轴承内圈实时转速和保持架实时转速计算获得轴承实时接触角，由轴承实时接触角确定角接触球轴承动态；
对于角接触球轴承和圆柱滚子轴承，根据轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速计算获得滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度，由滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度确定相应轴承动态。
本实施方式中，可根据主轴轴承的结构形式，预先确定轴承类型为角接触球轴承或圆柱滚子轴承。
对于角接触球轴承，进一步，所述轴承实时接触角的计算方法包括：
Figure BDA0003381666200000031
式中αR为轴承实时接触角，Ni为轴承内圈实时转速，Nc为保持架实时转速，D为轴承外径，d为轴承内径，Dw为球直径。其中D、d和Dw为轴承选配数据，可直接查找获取。
再进一步，由轴承实时接触角确定角接触球轴承动态的方法包括：
若αR＞α，则角接触球轴承为过载或爬坡状态；
若αR＜α，则角接触球轴承为空载或打滑情况；
若αR＝α，则角接触球轴承正常运行；
其中α为轴承正常接触角，可以通过轴承选配信息获取，通常是一个范围值。
对于圆柱滚子轴承，进一步，所述滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度的计算方法包括：
Nr＝c，
Figure BDA0003381666200000041
式中Nr为滚动体实时公转速度，NR为滚动体无滑动公转速度，No为轴承外圈实时转速。
再进一步，由滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度确定相应轴承动态的方法包括：
若Nr＞NR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承的旋转存在滑动，有发生蹭伤风险；
若Nr＜NR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承的旋转存在阻滞，有发生磨损风险；
若Nr＝NR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承正常运行。
通过以上过程，获得了高速主轴轴承的工作状态核心参数，包含轴承实时接触角αR、滚动体实时公转速度Nr和滚动体无滑动公转速度NR。将核心参数作为动态判据，可获得高速主轴轴承运转状态的判定结果。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种高速主轴轴承动态监测方法，其特征在于包括，
采集主机工作时的转子转速信号和转子转频信号，并进行频谱分析，分离出轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速；
对于角接触球轴承，根据轴承内圈实时转速和保持架实时转速计算获得轴承实时接触角，由轴承实时接触角确定角接触球轴承动态；
对于角接触球轴承和圆柱滚子轴承，根据轴承内圈实时转速、轴承外圈实时转速和保持架实时转速计算获得滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度，由滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度确定相应轴承动态。
2.根据权利要求1所述的高速主轴轴承动态监测方法，其特征在于，
所述轴承实时接触角的计算方法包括：
Figure FDA0003381666190000011
式中αR为轴承实时接触角，Ni为轴承内圈实时转速，Nc为保持架实时转速，D为轴承外径，d为轴承内径，Dw为球直径。
3.根据权利要求2所述的高速主轴轴承动态监测方法，其特征在于，
由轴承实时接触角确定角接触球轴承动态的方法包括：
若αR＞α，则角接触球轴承为过载或爬坡状态；
若αR＜α，则角接触球轴承为空载或打滑情况；
若αR＝α，则角接触球轴承正常运行；
其中α为轴承正常接触角。
4.根据权利要求1所述的高速主轴轴承动态监测方法，其特征在于，
所述滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度的计算方法包括：
Vr＝Nc，
Figure FDA0003381666190000012
式中Nr为滚动体实时公转速度，NR为滚动体无滑动公转速度，No为轴承外圈实时转速。
5.根据权利要求4所述的高速主轴轴承动态监测方法，其特征在于，
由滚动体实时公转速度和滚动体无滑动公转速度确定相应轴承动态的方法包括：
若Nr＞NR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承的旋转存在滑动；
若Nr＜ＮR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承的旋转存在阻滞；
若Ｎr＝ＮR，则角接触球轴承或圆柱滚子轴承正常运行。
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