【摘要】：滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械特別是輕型旋轉(zhuǎn)機(jī)械如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵和核心部件之一。它是國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全基礎(chǔ)研究”子課題“雙轉(zhuǎn)子-軸承-機(jī)匣系統(tǒng)振動(dòng)傳遞與故障溯源”的重要內(nèi)容之一,也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)核心問(wèn)題之一。隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的提高,作為關(guān)鍵部件和薄弱環(huán)節(jié),滾動(dòng)軸承發(fā)生故障的概率也越來(lái)越高。為了保證設(shè)備安全運(yùn)行,軸承故障診斷變得越來(lái)越重要,而故障機(jī)理研究在軸承故障診斷領(lǐng)域占據(jù)重要地位。以磨損和剝落為代表的局部故障在滾動(dòng)軸承故障類型中占有較大比重,此類軸承故障的研究具有重要實(shí)用價(jià)值。與現(xiàn)有大多數(shù)軸承局部故障的研究不同,針對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特性,本論文從軸承-轉(zhuǎn)子一體化角度,利用非線性振動(dòng)理論研究了故障球軸承-剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。考慮到實(shí)驗(yàn)條件,本文的研究對(duì)象為球軸承內(nèi)滾道和外滾道局部故障。故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通常存在三種激勵(lì):變剛度激勵(lì)、轉(zhuǎn)子偏心激勵(lì)以及沖擊激勵(lì)。論文研究了三種激勵(lì)作用下的軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及其影響因素,基于數(shù)值計(jì)算并結(jié)合實(shí)驗(yàn)定性驗(yàn)證,給出了故障軸承的動(dòng)力學(xué)特征及其應(yīng)用。研究健康球軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,討論了軸承變剛度共振及其影響因素,明確了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與軸承振動(dòng)信息之間的關(guān)系。首先,考慮平衡轉(zhuǎn)子的情況,利用諧波平衡-時(shí)域頻域轉(zhuǎn)換方法(HB-AFT)計(jì)算了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,計(jì)算結(jié)果表明系統(tǒng)存在變剛度共振及其微弱超諧共振。其次,考慮轉(zhuǎn)子偏心激勵(lì)的影響,利用龍格庫(kù)塔方法計(jì)算了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),討論了滾動(dòng)體數(shù)目和偏心激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響。計(jì)算結(jié)果顯示:滾動(dòng)體數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變剛度特性降低,參激激勵(lì)屬性降低,非線性現(xiàn)象減少;當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心距較大時(shí),系統(tǒng)有關(guān)變剛度振動(dòng)的非線性特性減小,轉(zhuǎn)子偏心距較小時(shí),系統(tǒng)的變剛度振動(dòng)呈現(xiàn)出與平衡轉(zhuǎn)子相似的結(jié)果。不同激勵(lì)條件下,軸承變剛度共振域轉(zhuǎn)速區(qū)間包含豐富的軸承振動(dòng)信息�？紤]外滾道故障,研究故障軸承-平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振特性和頻域特性,給出了故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征和補(bǔ)充了故障判定準(zhǔn)則。首先,針對(duì)軸承局部故障兩種主要建模方式——幾何邊界模型和沖擊力模型,從動(dòng)力學(xué)角度比較了兩種模型的差異。沖擊力模型可表達(dá)為傅里葉級(jí)數(shù)形式因而便于諧波平衡法求解,計(jì)算效率高且容易做深入理論分析;幾何邊界模型基于游隙突變,而游隙不能被很好的數(shù)學(xué)近似;且?guī)缀芜吔绻收夏Ｐ涂梢l(fā)概周期問(wèn)題,給方程求解帶來(lái)困難�？紤]到動(dòng)力學(xué)特性快速分析和機(jī)理研究,判定沖擊力模型具有優(yōu)勢(shì)。其次,基于沖擊力模型并結(jié)合HB-AFT方法求解了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,計(jì)算結(jié)果表明故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同參數(shù)影響下均呈現(xiàn)出明顯的變剛度共振和變剛度超諧共振現(xiàn)象,對(duì)比健康軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,認(rèn)定明顯的變剛度超諧共振可作為外滾道故障的動(dòng)力學(xué)特征。此外,根據(jù)故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的低頻頻域特性,得出了利用低頻信息判定故障的標(biāo)準(zhǔn):以諧波頻率并考慮幅值作為故障判定標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合包絡(luò)分析技術(shù),給出了故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的應(yīng)用。首先,分析了球軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)含有內(nèi)滾道故障與外滾道故障的動(dòng)力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)軸承變剛度共振域轉(zhuǎn)速區(qū)間故障系統(tǒng)與健康系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)存在較大差異。其次,借助包絡(luò)分析技術(shù)討論采樣區(qū)間對(duì)軸承故障診斷的影響:軸承變剛度共振域轉(zhuǎn)速區(qū)間的包絡(luò)分析結(jié)果包含清晰和豐富的軸承故障信息,而高轉(zhuǎn)速區(qū)間包絡(luò)分析結(jié)果呈現(xiàn)較弱的軸承故障信息,內(nèi)滾道故障尤其敏感;不同系統(tǒng)參數(shù)和故障參數(shù)條件下包絡(luò)分析也表現(xiàn)出相似的結(jié)果。之后,針對(duì)這些現(xiàn)象,通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)速條件下的軸承力變化給出了機(jī)理解釋:高轉(zhuǎn)速區(qū)間因?yàn)檗D(zhuǎn)子離心力的作用導(dǎo)致軸承內(nèi)部滾動(dòng)體與滾道之間的接觸發(fā)生改變,軸承振動(dòng)信息減弱,繼而引起故障產(chǎn)生的沖擊特征減弱。針對(duì)理論分析結(jié)果給出了實(shí)驗(yàn)定性驗(yàn)證。首先,實(shí)驗(yàn)證實(shí)球軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變剛度共振特性及其非線性屬性——變剛度共振區(qū)間的軟硬彈簧共振特性以及微弱的2倍變剛度超諧共振。其次,針對(duì)外滾道故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了系統(tǒng)共振特性和頻域特性:外滾道故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在明顯的變剛度共振及其2倍超諧共振;相比于健康系統(tǒng),外滾道故障特征頻率及其諧波量增加且諧波項(xiàng)增多;實(shí)驗(yàn)頻譜檢測(cè)到系統(tǒng)固有頻率的存在證實(shí)概周期現(xiàn)象的解釋。之后,開(kāi)展了針對(duì)采樣轉(zhuǎn)速區(qū)間選擇的實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)變剛度共振域的包絡(luò)分析結(jié)果包含明顯的內(nèi)滾道和外滾道特征故障頻率,此結(jié)論定性驗(yàn)證了振動(dòng)狀態(tài)對(duì)故障診斷結(jié)果的影響以及振動(dòng)信號(hào)采樣時(shí)轉(zhuǎn)速區(qū)間選擇的重要性。綜上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性證實(shí)了系統(tǒng)的共振特性、頻率特性以及振動(dòng)信號(hào)合理采樣轉(zhuǎn)速區(qū)間的結(jié)論�？傊�,本文研究了故障軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)了一些新的動(dòng)力學(xué)故障特征和故障機(jī)理,并給出了它們的應(yīng)用。論文的研究成果具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。
【圖文】：

1-2 Web of science 文獻(xiàn)記錄情況，(a) 滾動(dòng)軸承，(b) 軸承故障。e litterature records based on the web of science. (a) rolling bearing; (fault.eb of science 輸入“rolling bearing”和“fault bearing”，2的文獻(xiàn)記錄情況分別如圖 1-2(a)和(b)所示，文獻(xiàn)調(diào)研情況證承故障已經(jīng)是研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)記錄呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)�？煞譃榉植碱惞收虾途植抗收稀７植际焦收习úy度、表尺寸偏差和滾動(dòng)不對(duì)中等，局部故障包含疲勞剝落裂紋和凹障可通過(guò)提高加工精度和裝配精度來(lái)減少和消除，但是局部工作中產(chǎn)生[5]，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。滾動(dòng)軸承不可避免地存在接觸碰撞，接觸疲勞不可避免，而且它會(huì)導(dǎo)道和滾動(dòng)體的剝落、小坑或者從材料表面剝落金屬粒子[6]。承出現(xiàn)輕載打滑或者過(guò)載可能會(huì)造成軸承磨損，磨損加劇后故障[7]。分析圖 1-1(b)中的軸承失效案例可知磨損和剝落為占有較大比重。北京航空工程技術(shù)研究中心尉詢楷等也提到是航空主軸承的主要失效形式[3]�？紤]到實(shí)驗(yàn)條件，，本文的

振動(dòng)衰減等因素。Tandon 和 Choudhury[27,28]持續(xù)時(shí)間，他們選用矩形（圖 1-3(b)）、三角 1-3(d)）三種常見(jiàn)脈沖表征故障產(chǎn)生的沖擊故障處接觸力，利用含有故障頻率的三角級(jí)態(tài)疊加法求出故障滾動(dòng)軸承的頻譜。隨后這種沖擊力模型對(duì)含有局部故障的軸承實(shí)驗(yàn)了數(shù)值計(jì)算。Rafsanjani 等[5]利用沖擊力模型系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并發(fā)現(xiàn)了一些復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)從飛云等[39]將轉(zhuǎn)子偏心激勵(lì)帶來(lái)的交變載荷沖擊力模型。前面的敘述中提到很多學(xué)者在得到了包含隨機(jī)因素的沖擊力模型。還有學(xué)Sassi 等[40]假設(shè)碰撞過(guò)程能量是守恒的，利用速度之間的關(guān)系提出了一種新的沖擊力模型程和動(dòng)量矩定理等力學(xué)原理建立了新的沖擊力從產(chǎn)生、發(fā)展和消失整個(gè)過(guò)程。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH133.33;V232.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2589159