CN115343045A - 一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及轴承故障分析领域，尤其涉及一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，包括：建立滚动球轴承数学模型；建立关于滚动球轴承的剥落故障集合并且根据剥落故障集合确定若干种冲击力表达式，以及代入至滚动球轴承数学模型，得到故障动力学模型；获取滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号并且分析振动信号，确定剥落故障的尺寸参数；转化振动信号为对照频域信号并且根据对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型；代入剥落故障的发生位置和发生类型至故障动力学模型，得到实际频域信号，根据所述实际频域信号，确定剥落故障类别。通过本申请提供的确认方法获得的结果具有准确性和实际性的优点。

Description

一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法

技术领域

本申请涉及轴承故障分析领域，尤其涉及一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法。

背景技术

滚动球轴承作为旋转机械中最常用的部件也是最易损坏的部件之一，其可靠性与安全性在旋转机械全寿命服役过程中起着至关重要的作用，滚动球轴承的缺陷和损伤将直接影响设备的稳定性，甚至造成整个设备的损坏，而一些大型机械或精密机械的轴承发生轻微故障，有时很难将其更换并且对发生故障的滚动球轴承是否可以继续使用的判断很模糊。

现有技术中，判断剥落故障一般是通过建立滚动球轴承的故障模型进行模拟验证，核心在于：首先基于赫兹接触理论建立数学模型，模拟一个剥落故障，构建滚动体经过缺陷时的时变表达式，引入数学模型中建立滚动轴承剥落故障动力学模型，但是在实际应用在，该模型在计算时需要人为的预设故障参数、形状和位置，以及还具有计算结果单一，不够灵活和实验效率低的，因此计算出的振动信号不符合实际。

发明内容

本申请提供了一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，能够解决现有的剥落故障类型的确认方法存在的需要人为的预设故障参数、形状和位置，以及还存在的计算结果单一，不够灵活和实验效率低的问题。

本申请的技术方案是一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，包括：

S1：建立滚动球轴承数学模型；建立关于滚动球轴承的剥落故障集合并且根据所述剥落故障集合确定若干种冲击力表达式，以及代入若干种所述冲击力表达式至所述滚动球轴承数学模型，得到故障动力学模型；

S2：获取滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号并且分析所述振动信号，确定剥落故障的尺寸参数；转化所述振动信号为对照频域信号并且根据所述对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型；

S3：代入所述剥落故障的发生位置和发生类型至所述故障动力学模型，得到实际频域信号，以及根据所述实际频域信号，确定剥落故障类别。

可选地，所述步骤S1包括：

S11：获取滚动球轴承的工作方式、材料参数、几何特征和安装方式以及转动轴的转动频率并且根据所述滚动球轴承的工作方式、材料参数、几何特征和安装方式以及转动轴的转动频率建立滚动球轴承数学模型；

S12：收集所述滚动球轴承发生剥落故障的所有情况并且根据所述滚动球轴承与滚动体经过时的接触方式对所述剥落故障的所有情况进行分类，得到所述剥落故障集合，以及根据所述剥落故障集合确定若干种冲击力表达式；

S13：代入若干种所述冲击力表达式至所述滚动球轴承数学模型，得到若干种故障动力学模型。

可选地，在所述步骤S11中，所述获取滚动球轴承的工作方式的步骤包括：

对在工作时的所述滚动球轴承进行受力分析并且计算所述滚动滚动体中的滚动体的位置角，以及确定滚动球轴承与轴的转速关系式；

以及，所述滚动球轴承数学模型包括：

(1)滚动体的形变量：

所述滚动球轴承的滚动体受到内外滚道挤压产生形变量，δ_i表示所述滚动球轴承中第i个滚动体接触形变，δ_i的表达式如下所示：

δ_i＝x cosθ_i+y sinθ_i-0.5C_r；

式中，x和y分别表示滚动球轴承质心分解在x和y方向的偏移量；C_r表示滚动球轴承的内外圈与滚动体之间的配合间隙；

(2)滚动体的位置角：

式中，θ₀表示第一个滚动体的初始位置角；Z表示滚动体个数；ω为滚动体的角速度；γ表示滚动球轴承的内圈开关量，如果剥落故障的发生位置在内圈，γ的值为1，如果剥落故障的发生位置在外圈，γ的值为0；j表示第j个滚动体；

式中：d_b表示滚动体直径；D_w表示节圆直径；β表示轴承接触角；ω_s表示转子角速度，ω_s的表达式如下所示：

(3)分布载荷：

当工作负载作用所述滚动球轴承的轴承上时，工作负载产生分布载荷Q_i，Q_i的表达式如下所示：

式中：R_i表示内圈半径，Q_max表示最大分布的载荷，Q_i为第i个滚动体所受的载荷，ε表示分布载荷系数，Ψ_i表示处于载荷分布角度内滚动体的位置角，Ψ_m表示载荷分布角，Ψ_m的表达式如下所示：

可选地，在所述步骤S12中，冲击力表达式的设置数量为三种；

以及，三种冲击力表达式如下所示：

(1)重度冲击类型：

①重度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②重度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中，t为时间；

表示故障点中心位置角；F_max表示最大冲击力；η表示滚动体与剥落故障的最大接触角，η的表达式如下所示：

η＝arcsin(L/d_b)；

表示故障角度的一半，

的表达式如下所示：

H_d表示正弦深度，H_d的表达式如下所示：

r为滚动体半径，L为故障长度。

(2)中度冲击类型：

①中度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②中度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中：F_c为滚动体所受接触力；

为接触角，计算公式如下所示：

∝为轴承接触角；d_b为滚动体直径；

为V型接触角，计算公式如下所示：

H_t为最大下潜距离，计算公式如下所示：

(3)轻度冲击类型：

①轻度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②轻度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中，

表示接触角，

的表达式如下所示：

H_t表示最大下潜距离，H_t的表达式如下所示：

可选地，在所述步骤S13包括：

S131：代入若干种所述冲击力表达式至所述滚动球轴承数学模型并且基于Hertz接触理论建立故障动力学方程式；

所述故障动力学方程式包括：当所述滚动体受到滚到表面的压力发生形变，非线性接触力的表达式如下所示：

式中，K表示刚度，取值K＝8.9×10⁶；

S132：代入模拟的剥落故障至所述故障动力学方程，得到2自由度的含有单点剥落缺陷故障轴承的故障动力学方程，所述故障动力学方程如下所示：

式中，M表示轴承和轴承座的等效质量；C表示轴承和轴承座的等效阻尼；F_x和F_y别表示分解在x方向和y方向上的振动响应；F_h，x和F_h，y别表示分解在x方向和y方向上所受到的赫兹接触力；F_1，2，3表示为包含三种缺陷类型的冲击力表达式。

可选地，所述步骤S2包括：

S21：通过传感器的实时监测获取所述滚动球轴承发生剥落故障时球轴承的振动信号并且分析所述振动信号，确定剥落故障的尺寸信息；

S22：通过快速傅里叶变换将所述振动信号转化为对照频域信号并且根据所述对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型。

可选地，所述步骤S21包括：

S211：通过传感器的实时监测获取所述滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号；

S212：根据双冲击机理，通过第一阶段冲击所需用的时间和两个滚动体通过缺陷的时间间隔对所述振动信号进行分析，确定剥落故障的尺寸信息，确定剥落故障的尺寸信息的公式如下所述：

式中，Δt表示第一阶段冲击所需用的时间；ΔT表示两个滚动体的冲击时间间隔；r_b表示外圈直径。

可选地，所述滚动球轴承的安装方式包括：所述滚动球轴承通过内圈固定，以及所述滚动球轴承通过外圈固定；

以及，所述步骤S22包括：

S221：通过快速傅里叶变换将所述振动信号转化为对照频域信号；

S222：判断所述对照频域信号的特征频率中一倍频幅值最高的频率是否等于轴承转频和滚动体数目的乘积，如果等于，确定所述剥落故障的发生位置在外圈，如果不等于，确定所述剥落故障的发生位置在内圈；

S223：判断所述剥落故障的发生位置与所述滚动球轴承的安装方式是否相同，如果相同，所述剥落故障为定值，如果不相同，剥落故障随滚动球轴承旋转并且在分布载荷下往复运动。

可选地，所述步骤S3包括：

S31：代入所述剥落故障的发生位置和发生类型至若干种所述故障动力学模型并且通过matlab软件ode45迭代法进行仿真计算，得到仿真计算结果，以及将所述仿真计算结果进行FFT转化，得到实际频域信号；

S32：根据所述实际频域信号，确定剥落故障类别。

所述实际频域信号的设置数量为三种；

以及，所述步骤S32包括：

S321：根据所述实际频域信号进行分析，如果振动频域集中在实际频域信号的低频到中频阶段，所述剥落故障为重度冲击类型；

如果振动频域集中在实际频域信号的整段均有出现，所述剥落故障为中度冲击类型；

如果振动频域集中在实际频域信号的中频到高频阶段，所述剥落故障为轻度冲击类型。

有益效果：

(1)设计了一整套关于滚动球轴承的剥落故障类别确认方法，首先考虑到了剥落故障形成的随机性，第一步采用识别模块进行分析故障的发生位置以及剥落尺寸的大小，第二步将识别的参数代入类型配模块中的动力学模型中，从而模型的结果具有准确性和实际性的优点；

(2)其次在动力学模型中加入了开关量，用于控制剥落故障发生在内圈或者外圈滚道的计算方式，节省了大量计算过程和时间，模型也变得灵活，可以适合计算多种类型的故障，提高了实验效率；

(3)最后将所有类型的剥落故障的影响进行了量化等级，从而可以判断轴承是否可以继续使用，为轴承维修提供决策依据，有效降低了设备的安全隐患避免重大经济损失。

综上所述，本申请能够解决现有的剥落故障类型的确认方法存在的需要人为的预设故障参数、形状和位置，不够灵活和实验效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法的流程示意图；

图2为本申请实施例中一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法的逻辑示意图；

图3为本申请实施例中滚动球轴承数学模型中载荷分布的示意图；

图4为本申请实施例中双冲击阶段的示意图；

图5为本申请实施例中剥落故障的类型示意图；

图6为本申请实施例中滚动体经过剥落故障时的轨迹示意图；

图7为本申请实施例中一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法的流程示意图；

图8为本申请实施例中内圈单点剥落三种类型的仿真频域图和下表轴承实验信号频域图；

图9为本申请实施例中实例验证结果的示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

本申请提供了一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，如图1和图2所示，图1为本申请实施例中一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法的流程示意图，图2为本申请实施例中一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法的逻辑示意图，包括：

S1：建立滚动球轴承数学模型。建立关于滚动球轴承的剥落故障集合并且根据剥落故障集合确定若干种冲击力表达式，以及代入若干种冲击力表达式至滚动球轴承数学模型，得到故障动力学模型。

其中，步骤S1包括：

S11：获取滚动球轴承的工作方式、材料参数、几何特征和安装方式以及转动轴的转动频率并且根据滚动球轴承的工作方式、材料参数、几何特征和安装方式以及转动轴的转动频率建立滚动球轴承数学模型。

模型的内容包括内圈滚道、外圈滚道，滚动体均匀分布在内外滚道之间，在工作负载下的分布载荷中做着往复运动。其中分布载荷是指轴上的负载力传递到轴承内圈，并分散给滚动体，处于负载中心的负载力最大，两边最小。再将建立的三种类型冲击力表达式引入数学模型中建立三种故障类型的动力学模型。

在步骤S11中，获取滚动球轴承的工作方式的步骤包括：

对在工作时的滚动球轴承进行受力分析并且计算滚动滚动体中的滚动体的位置角，以及确定滚动球轴承与轴的转速关系式。

以及，如图3所示，图3为本申请实施例中滚动球轴承数学模型中载荷分布的示意图，滚动球轴承数学模型包括：

(1)滚动体的形变量：

本申请实施例中的滚动球轴承数学模型基于赫兹基础理论，内圈滚道、外圈滚道视为刚性，将滚动体视为弹簧阻尼连接与内外圈滚道，且均匀分布，加上工作载荷后，滚动球轴承的滚动体受到内外滚道挤压产生形变量，δ_i表示滚动球轴承中第i个滚动体接触形变，δ_i的表达式如下所示：

δ_i＝x cosθ_i+y sinθ_i-0.5C_r。

式中，x和y分别表示滚动球轴承质心分解在x和y方向的偏移量。C_r表示滚动球轴承的间隙。

(2)滚动体的位置角：

式中，θ₀表示第一个滚动体的初始位置角。Z表示滚动体个数。ω为滚动体的角速度。γ表示滚动球轴承的内圈开关量，如果剥落故障的发生位置在内圈，γ的值为1，如果剥落故障的发生位置在外圈，γ的值为0。j表示第j个滚动体。

具体地，滚动体次序根据需求确定。

式中：d_b表示滚动体直径。D_w表示节圆直径。β表示轴承接触角。ω_s表示转子角速度，ω_s的表达式如下所示：

(3)分布载荷：

当工作负载作用滚动球轴承的轴承上时，轴上的负载力模拟成一个x轴方向的径向载荷，而处于载荷分布下的滚动体符合线载荷理论，工作负载产生分布载荷Q_i，Q_i的表达式如下所示：

式中：R_i表示内圈半径，Q_max表示最大分布的载荷，Q_i为第i个滚动体所受的载荷，ε表示分布载荷系数，Ψ_i表示处于载荷分布角度内滚动体的位置角，Ψ_m表示载荷分布角，Ψ_m的表达式如下所示：

S12：收集滚动球轴承发生剥落故障的所有情况并且根据滚动球轴承与滚动体经过时的接触方式对剥落故障的所有情况进行分类，得到剥落故障集合，以及根据剥落故障集合确定若干种冲击力表达式。

在步骤S12中，冲击力表达式的设置数量为三种。

具体地，由于发生剥落故障的轴承滚道表面的轮廓具有随机性，而滚动体经过时是在缺陷表面轮廓的限制下运动，致使滚动体通过时冲击效果多种多样，如图5所示，图5为本申请实施例中剥落故障的类型示意图，本申请实施例模拟了所有可能产生的剥落故障表面轮廓并且研究了滚动体直径d_b、剥落故障尺寸L和倾斜角度α之间的几何关系。

最终，将发生剥落故障的轴承滚道表面划分为轻度、中度和重度冲击三种类型。

当缺陷倾斜角度大于α为重度冲击类型，当缺陷角度小于并且缺陷中心最深处与缺陷两端之间的曲率半径小于滚动体直径时为中度冲击类型，当缺陷角度小于α并且缺陷中心最深处与缺陷两端之间的曲率半径小于滚动体直径时为轻度冲击类型。

倾斜角α的表达式如下所示：

式中：L表示剥落故障的长度，d_b表示滚动体直径。

以及，三种冲击力表达式如下所示：

(1)重度冲击类型：

①图5中左侧的图示表示重度冲击类型，当剥落缺陷的倾斜角度大于倾斜角α时，滚动体经过缺陷时只与进入点和退出点接触，滚动体进入缺陷，其绕进入点旋转直至撞上退出点，圆心轨迹为AB，在模型中相应位置角表示为

再绕退出点旋转至滚道离开缺陷正常运行，圆心轨迹为BC，位置角表示为

重度冲击类型的形变释放量δ₁的表达式如下所示：

式中，t为时间。

表示故障点中心位置角。F_max表示最大冲击力。η表示滚动体与剥落故障的最大接触角，η的表达式如下所示：

η＝arcsin(L/d_b)。

表示故障角度的一半，

的表达式如下所示：

H_d表示正弦深度，H_d的表达式如下所示：

r为滚动体半径，L为故障长度。

②滚动体经过点接触缺陷时接触力发生改变，进入缺陷时受力点与滚动体中心角度变化，运行到退出点时，导致滚动体的运动方向发生改变，产生撞击力，重度冲击类型的时变接触力F₁的表达式如下所示：

(2)中度冲击类型：

①图5中间的图示表示中度冲击类型，剥落缺陷坡度小于倾斜角α，滚动体进入故障区域内与斜坡接触运行，进入缺陷绕进入点旋转运行到下斜坡，滚动体圆心轨迹为AB，在模型中相应位置角表示为

然后在下斜坡运行踩到上斜坡，滚动体圆心轨迹为BC，在模型中相应位置角表示为

从上斜坡运行到退出点，滚动体圆心轨迹为CD，在模型中相应位置角表示为

绕退出点旋转至正常滚到，滚动体圆心轨迹为DE，在模型中位置角表示为

这种类型为中度冲击类型。

(2)中度冲击类型：

①中度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②中度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中，F_c为滚动体所受接触力，

为接触角，计算公式如下所示：

∝为轴承接触角；d_b为滚动体直径；

为V型接触角，计算公式如下所示：

H_t为最大下潜距离，计算公式如下所示：

(3)轻度冲击类型：

①图5中右侧的图示表示轻度冲击类型，当剥落缺陷曲率半径大于滚动体半径，滚动体经过剥落缺陷其圆新心轨迹近似为半正弦，第一阶段滚动体的经过轨迹为AB，在模型中相应位置角表示为

第二阶段滚动体的经过轨迹为BC，在模型中相应位置角表示为

这种故障类型为轻度冲击类型。

轻度冲击类型的形变释放量δ₃表达式如下所示：

(3)轻度冲击类型：

①轻度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②轻度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中，

表示接触角，

的表达式如下所示：

H_t表示最大下潜距离，H_t的表达式如下所示：

S13：代入若干种冲击力表达式至滚动球轴承数学模型，得到若干种故障动力学模型。

在步骤S13包括：

S131：代入若干种冲击力表达式至滚动球轴承数学模型并且基于Hertz接触理论建立故障动力学方程式。

故障动力学方程式包括：当滚动体受到滚到表面的压力发生形变，非线性接触力的表达式如下所示：

式中，K表示刚度，取值K＝8.9×10⁶。

S132：代入模拟的剥落故障至所述故障动力学方程，得到2自由度的含有单点剥落缺陷故障轴承的故障动力学方程，所述故障动力学方程如下所示：

式中，M表示轴承和轴承座的等效质量；C表示轴承和轴承座的等效阻尼；F_x和F_y别表示分解在x方向和y方向上的振动响应；F_h，x和F_h，y别表示分解在x方向和y方向上所受到的赫兹接触力；F_1，2，3表示为包含三种缺陷类型的冲击力表达式。

具体地，本申请实施例是基于赫兹接触理论研究，滚动体受到内外圈挤压产生形变，由于滚动体为球，所以载荷形变系数n取值1.5。所有滚动体受到的合力为轴承承受的赫兹接触力，表示为：

式中，K表示刚度，取值K＝8.9×10⁶。

根据拉格朗日定理，将赫兹接触力和时变接触力表达式引入动力学方程，组建包含2自由度的滚动轴承剥落故障动力学方程：

式中，M表示轴承和轴承座的等效质量；C表示轴承和轴承座的等效阻尼；Fx和Fy别表示分解在x方向和y方向上的振动响应。

S2：获取滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号并且分析振动信号，确定剥落故障的尺寸参数。转化振动信号为对照频域信号并且根据对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型。

步骤S2包括：

S21：通过传感器的实时监测获取滚动球轴承发生剥落故障时球轴承的振动信号并且分析振动信号，确定剥落故障的尺寸信息。

具体地，通过传感器实时检测，截取一段发生剥落故障球轴承的振动信号，然后对其进行数据分析，捕捉剥落故障的尺寸参数和故障发生位置。

步骤S21包括：

S211：通过传感器的实时监测获取滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号。

S212：根据双冲击机理，通过第一阶段冲击所需用的时间和两个滚动体通过缺陷的时间间隔对振动信号进行分析，确定剥落故障的尺寸信息，确定剥落故障的尺寸信息的公式如下：

式中，Δt表示第一阶段冲击所需用的时间。ΔT表示两个滚动体的冲击时间间隔。r_b表示外圈直径。

具体地，滚动体通过剥落故障时产生的振动信号符合双冲击机理，因为三种类型均符合双冲击机理，计算方式相同，因此选取Ⅰ类型为例，截取一段振动信号进行分析，如图4所示，图4为本申请实施例中双冲击阶段的示意图，可将滚动体通过剥落故障时的冲击变化分为包括进入阶段和离开阶段的两个阶段。

这两个阶段的振幅变化相对明显并且第一阶段冲击发生到结束的时间间隔Δt，如图6所示，图6为本申请实施例中滚动体经过剥落故障时的轨迹示意图，对应滚动体刚进入缺陷区域到行驶到缺陷正中间的阶段，如图5所示，计算公式如下：

式中：Δt表示第一阶段冲击所需用的时间。ΔT表示两个滚动体的冲击时间间隔。r_b表示外圈直径。

S22：通过快速傅里叶变换将振动信号转化为对照频域信号并且根据对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型。

具体地，滚动球轴承的安装方式包括：滚动球轴承通过内圈固定，以及滚动球轴承通过外圈固定。

以及，步骤S22包括：

S221：通过快速傅里叶变换将振动信号转化为对照频域信号。

S222：判断对照频域信号的特征频率中一倍频幅值最高的频率是否等于轴承转频和滚动体数目的乘积，如果等于，确定剥落故障的发生位置在外圈，如果不等于，确定剥落故障的发生位置在内圈。

具体地，将振动信号进行快速傅里叶变换转为频域信号，找到特征频率，如果特征频率的一倍频峰值最高并且一倍频率等于轴承转频与滚动体个数的乘积，则剥落故障发生在外圈滚道，如不是，则表明剥落故障发生在内圈滚道。

S223：判断剥落故障的发生位置与滚动球轴承的安装方式是否相同，如果相同，剥落故障为定值，如果不相同，剥落故障随滚动球轴承旋转并且在分布载荷下往复运动。

S3：代入剥落故障的发生位置和发生类型至故障动力学模型，得到实际频域信号，以及根据实际频域信号，确定剥落故障类别。

步骤S3包括：

S31：代入剥落故障的发生位置和发生类型至若干种故障动力学模型并且通过matlab软件ode45迭代法进行仿真计算，得到仿真计算结果，以及将仿真计算结果进行FFT转化，得到实际频域信号。

S32：根据实际频域信号，确定剥落故障类别。

具体地，实际频域信号的设置数量为三种。

以及，步骤S32包括：

S321：根据实际频域信号进行分析，如果振动频域集中在实际频域信号的低频到中频阶段，剥落故障为重度冲击类型；

如果振动频域集中在实际频域信号的整段均有出现，剥落故障为中度冲击类型；

如果振动频域集中在实际频域信号的中频到高频阶段，剥落故障为轻度冲击类型。

具体地，代入剥落故障的发生位置和发生类型至若干种故障动力学模型中，通过matlab软件采用ode45迭代法求解，得到仿真数据时域信号，再进行快速傅里叶变换处理得到仿真频域信号。

本申请实施例采用ER-8K轴承进行实验，具体参数见图7，图7为本申请实施例中滚动球轴承的参数表，通过线切割方式，在同一批次的滚动球轴承的内圈滚道上分别加工了与仿真要求相同的三种类型故障(a，b，c)，故障类型a为故障长度L＝3mm的点接触故障，故障类型b为L＝3mm并且α＝20°的线接触故障，故障类型c为曲率半径ρ＝10mm并且深度H＝2.5mm的弧形故障，如图8所示，图8为本申请实施例中内圈单点剥落三种类型的仿真频域图和下表轴承实验信号频域图，图8中图示㈠㈡㈢中左侧均为仿真频域图，图中右侧均为转速为300r/min的频域图。仿真信号的特征频率特点与实验信号的特征频率数值接近，并且特点相同：重度冲击类型故障引起的振动频域集中在整段可见频域信号的低频到中频阶段，中度故障类型引起的振动频域信号的特征频率，在整段可探测频域信号中均有出现，轻度冲击类型故障类型引起的振动频域信号主要集中在整段可探测频域信号中的中频到高频阶段。

如图9所示，图9为本申请实施例中实例验证结果的示意图。随机选取具有剥落故障的滚动球轴承进行实验，捕捉一段振动信号进行分析，然后识别出故障的尺寸参数，确认该剥落缺陷为中度类型，代入本发明中所提出的三种缺陷类型中，在不同转速下进行仿真验证，显然三种缺陷类型的振动加速度均方根不同，且随着转速的升高差距变大，实验信号的振动加速度均方根值与中度类型模型的仿真信号接近。

以上对本申请的实施例进行了详细说明，但内容仅为本申请的较佳实施例，不能被认为用于限定本申请的实施范围。凡依本申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本申请的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，包括：

S1：建立滚动球轴承数学模型；建立关于滚动球轴承的剥落故障集合并且根据所述剥落故障集合确定若干种冲击力表达式，以及代入若干种所述冲击力表达式至所述滚动球轴承数学模型，得到故障动力学模型；

S2：获取滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号并且分析所述振动信号，确定剥落故障的尺寸参数；转化所述振动信号为对照频域信号并且根据所述对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型；

S3：代入所述剥落故障的发生位置和发生类型至所述故障动力学模型，得到实际频域信号，以及根据所述实际频域信号，确定剥落故障类别。

2.根据权利要求1所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11：获取滚动球轴承的工作方式、材料参数、几何特征和安装方式以及转动轴的转动频率并且根据所述滚动球轴承的工作方式、材料参数、几何特征和安装方式以及转动轴的转动频率建立滚动球轴承数学模型；

S12：收集所述滚动球轴承发生剥落故障的所有情况并且根据所述滚动球轴承与滚动体经过时的接触方式对所述剥落故障的所有情况进行分类，得到所述剥落故障集合，以及根据所述剥落故障集合确定若干种冲击力表达式；

S13：代入若干种所述冲击力表达式至所述滚动球轴承数学模型，得到若干种故障动力学模型。

3.根据权利要求2所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，在所述步骤S11中，所述获取滚动球轴承的工作方式的步骤包括：

对在工作时的所述滚动球轴承进行受力分析并且计算所述滚动滚动体中的滚动体的位置角，以及确定滚动球轴承与轴的转速关系式；

以及，所述滚动球轴承数学模型包括：

(1)滚动体的形变量：

所述滚动球轴承的滚动体受到内外滚道挤压产生形变量，δ_i表示所述滚动球轴承中第i个滚动体接触形变，δ_i的表达式如下所示：

δ_i＝xcosθ_i+ysinθ_i-0.5C_r；

式中，x和y分别表示滚动球轴承质心分解在x和y方向的偏移量；C_r表示滚动球轴承的内外圈与滚动体之间的配合间隙；

(2)滚动体的位置角：

式中，θ₀表示第一个滚动体的初始位置角；Z表示滚动体个数；ω为滚动体的角速度；γ表示滚动球轴承的内圈开关量，如果剥落故障的发生位置在内圈，γ的值为1，如果剥落故障的发生位置在外圈，γ的值为0；j表示第j个滚动体；

式中：d_b表示滚动体直径；D_w表示节圆直径；β表示轴承接触角；ω_s表示转子角速度，ω_s的表达式如下所示：

(3)分布载荷：

当工作负载作用所述滚动球轴承的轴承上时，工作负载产生分布载荷Q_i，Q_i的表达式如下所示：

Q_i＝0 elsewhere

式中：R_i表示内圈半径，Q_max表示最大分布的载荷，Q_i为第i个滚动体所受的载荷，ε表示分布载荷系数，Ψ_i表示处于载荷分布角度内滚动体的位置角，Ψ_m表示载荷分布角，Ψ_m的表达式如下所示：

4.根据权利要求3所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，在所述步骤S12中，冲击力表达式的设置数量为三种；

以及，三种冲击力表达式如下所示：

(1)重度冲击类型：

①重度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②重度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中，t为时间；

表示故障点中心位置角；F_max表示最大冲击力；η表示滚动体与剥落故障的最大接触角，η的表达式如下所示：

η＝arcsin(L/d_b)；

表示故障角度的一半，

的表达式如下所示：

H_d表示正弦深度，H_d的表达式如下所示：

r为滚动体半径，L为故障长度；

(2)中度冲击类型：

①中度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②中度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中：F_c为滚动体所受接触力；

为接触角，计算公式如下所示：

∝为轴承接触角；d_b为滚动体直径；

为V型接触角，计算公式如下所示：

H_t为最大下潜距离，计算公式如下所示：

(3)轻度冲击类型：

①轻度冲击类型的形变释放量表达式如下所示：

②轻度冲击类型的时变接触力表达式如下所示：

式中，

表示接触角，

的表达式如下所示：

H_t表示最大下潜距离，H_t的表达式如下所示：

5.根据权利要求3所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，在所述步骤S13包括：

S131：代入若干种所述冲击力表达式至所述滚动球轴承数学模型并且基于Hertz接触理论建立故障动力学方程式；

所述故障动力学方程式包括：当所述滚动体受到滚到表面的压力发生形变，非线性接触力的表达式如下所示：

式中，K表示刚度，取值K＝8.9×10⁶；

S132：代入模拟的剥落故障至所述故障动力学方程，得到2自由度的含有单点剥落缺陷故障轴承的故障动力学方程，所述故障动力学方程如下所示：

式中，M表示轴承和轴承座的等效质量；C表示轴承和轴承座的等效阻尼；F_x和F_y别表示分解在x方向和y方向上的振动响应；F_h，x和F_h，y别表示分解在x方向和y方向上所受到的赫兹接触力；F_1，2，3表示为包含三种缺陷类型的冲击力表达式。

6.根据权利要求2所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21：通过传感器的实时监测获取所述滚动球轴承发生剥落故障时球轴承的振动信号并且分析所述振动信号，确定剥落故障的尺寸信息；

S22：通过快速傅里叶变换将所述振动信号转化为对照频域信号并且根据所述对照频域信号的特征频率确定剥落故障的发生位置和发生类型。

7.根据权利要求6所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，所述步骤S21包括：

S211：通过传感器的实时监测获取所述滚动球轴承发生剥落故障时的振动信号；

S212：根据双冲击机理，通过第一阶段冲击所需用的时间和两个滚动体通过缺陷的时间间隔对所述振动信号进行分析，确定剥落故障的尺寸信息，确定剥落故障的尺寸信息的公式如下所述：

式中，Δt表示第一阶段冲击所需用的时间；ΔT表示两个滚动体的冲击时间间隔；r_b表示外圈直径。

8.根据权利要求6所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，所述滚动球轴承的安装方式包括：所述滚动球轴承通过内圈固定，以及所述滚动球轴承通过外圈固定；

以及，所述步骤S22包括：

S221：通过快速傅里叶变换将所述振动信号转化为对照频域信号；

S222：判断所述对照频域信号的特征频率中一倍频幅值最高的频率是否等于轴承转频和滚动体数目的乘积，如果等于，确定所述剥落故障的发生位置在外圈，如果不等于，确定所述剥落故障的发生位置在内圈；

S223：判断所述剥落故障的发生位置与所述滚动球轴承的安装方式是否相同，如果相同，所述剥落故障为定值，如果不相同，剥落故障随滚动球轴承旋转并且在分布载荷下往复运动。

9.根据权利要求1所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31：代入所述剥落故障的发生位置和发生类型至若干种所述故障动力学模型并且通过matlab软件ode45迭代法进行仿真计算，得到仿真计算结果，以及将所述仿真计算结果进行FFT转化，得到实际频域信号；

S32：根据所述实际频域信号，确定剥落故障类别。

10.根据权利要求9所述的一种关于滚动球轴承剥落故障的确认方法，其特征在于，所述实际频域信号的设置数量为三种；

以及，所述步骤S32包括：

S321：根据所述实际频域信号进行分析，如果振动频域集中在实际频域信号的低频到中频阶段，所述剥落故障为重度冲击类型；

如果振动频域集中在实际频域信号的整段均有出现，所述剥落故障为中度冲击类型；

如果振动频域集中在实际频域信号的中频到高频阶段，所述剥落故障为轻度冲击类型。

Images