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基于ANSYS/LS-DYNA的鐵路貨車缺陷軸承振動特性研究

2015-12-23 06:39朱愛華朱成九
制造業(yè)自動化 2015年24期
關(guān)鍵詞:滾子內(nèi)圈外圈

朱愛華,朱成九

ZHU Ai-hua1 , ZHU Cheng-jiu2

(1.華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院,南昌 330013;2.華東交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,南昌 330013)

0 引言

20世紀60年代以來,我國就已經(jīng)開展對滾動軸承振動和噪聲的研究[1~4]。劉壽祥等通過對LM11949/10、NU211等軸承零件作單因素交叉試驗和對國外同型號產(chǎn)品振動對比分析,找出了圓錐滾子軸承各零件對軸承振動的影響規(guī)律,得出滾子波紋度是影響軸承振動加速度和振動速度高頻檔的主要因素[5]。夏新濤等以實驗為基礎(chǔ),運用數(shù)理統(tǒng)計分析的方法研究了軸承振動與噪聲的關(guān)系[6]。1982年,鄧聚龍創(chuàng)立灰色系統(tǒng)理論,以小樣本、貧信息不確定性系統(tǒng)作為研究對象,從已知信息中提取有價值的信息,達到對系統(tǒng)行為和規(guī)律的預(yù)測和控制[7,8]。劉勁軍、夏新濤和張立紅利用灰色系統(tǒng)理論研究影響圓錐滾子軸承振動的影響因素,得出滾子凸度和滾子直徑偏差等參數(shù)對滾子軸承振動影響最大[9]。本文在其基礎(chǔ)上,利用ANSYS/LS-DYNA顯式動力學(xué),建立軸承主要元件如內(nèi)、外圈及滾子的點缺陷模型進行動力學(xué)仿真分析,研究軸承主要元件有點缺陷時對振動的影響及振動特征,找出判斷依據(jù)。

1 點缺陷及軸承有限元模型

滾子軸承會因疲勞、裂紋、壓痕、膠合等失效形式引起滾動體和內(nèi)、外圈表面剝落,這是滾動軸承常見的故障。表面剝落所形成的點缺陷惡化會導(dǎo)致整個軸承的故障甚至報廢[10]。

內(nèi)、外圈和滾子的點缺陷模型是在正常軸承353130B模型[11~16]的基礎(chǔ)上通過引人“人工點缺陷”建立的。在內(nèi)、外圈和滾子承載區(qū)分別構(gòu)造1個凹坑,點缺陷半徑約1mm,深度為2mm,形狀為球冠[17~19],如圖1所示。

軸承材料均為硬度較大的鋼材,塑性變形相對彈性變形幾乎可忽略不計,因此假設(shè)軸承材料為各向同性的線彈性材料,密度為7800kg/m3,彈性模量為210GPa,泊松比為0.3。實際工況中,外圈固定在軸承基座上,因此將外圈全部約束,約束施加在外圈外表面節(jié)點上,由于所選單元SOLID164沒有旋轉(zhuǎn)自由度,只有平移自由度,所以只需約束x、y和z方向的平動即可。軸承的載荷通過轉(zhuǎn)軸作用在內(nèi)圈上,因此將轉(zhuǎn)速加載在內(nèi)圈內(nèi)表面剛體上,徑向荷載施加在內(nèi)表面剛體的軸線上。

材料參數(shù)和邊界條件均采用正常模型的參數(shù),內(nèi)、外圈和滾子點缺陷模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。在ANSYS/LS-DYNA顯式動力學(xué)中,分析軸承各元件分別有點缺陷時對軸承振動的影響,通過計算得到,正常軸承、滾子點缺陷軸承、內(nèi)圈點缺陷軸承和外圈點缺陷軸承的內(nèi)圈滾道節(jié)點Y方向加速度變化曲線。

2 振動信號的時域分析方法

振動信號是軸承故障診斷中應(yīng)用最普遍的檢測信號,運用合適的信號處理方法提取所檢測到的振動信號,就能識別軸承的故障所在。因此信號處理方法的選擇就顯得尤為重要。目前信號處理方法主要有:時域分析和頻域分析。時域分析是最簡單的振動監(jiān)測方法,它反映的是軸承總體運行情況,它能判斷出軸承是否發(fā)生故障。本文主要采用時域分析對振動信號進行仿真分析,得到各元件有點缺陷時軸承振動的時域判斷指標(biāo)如下。

2.1 有量綱統(tǒng)計參數(shù)

對于離散時間序列x1,x2,x3,…,xn,振動的各有量綱統(tǒng)計參數(shù)計算如下:

1)峰值xp:振動信號的最大值。

3)均方根值xrms:用來判斷軸承是否正常運行。

4)方根幅值xr:反映振動信號波動程度。

6)方差均值比Q:反映振動信號的集散程度。

2.2 無量綱統(tǒng)計參數(shù)

1)波形指標(biāo)Sf:反映振動信號的波動程度。

2)峭度指標(biāo)K:反映振動信號的沖擊特征。

3)脈沖指標(biāo)If:反映振動波形沖擊分量的偏離程度。

4)峰值指標(biāo)Cf:檢測是否存在沖擊的指標(biāo)。

5)裕度指標(biāo)Ce:檢測是否存在沖擊的指標(biāo)。

3 加速度時程分析

為了分析軸承在不同狀態(tài)下加速度的變化規(guī)律,選取初始狀態(tài)時,正上方內(nèi)圈滾道中心點,提取其Y方向的加速度變化曲線來進行分析。圖2~圖5分別為正常軸承、滾子點缺陷軸承、內(nèi)圈點缺陷軸承和外圈點缺陷軸承的內(nèi)圈滾道節(jié)點Y方向加速度變化曲線。

圖2 正常滾子軸承內(nèi)圈節(jié)點Y方向加速度曲線

圖3 滾子點缺陷軸承內(nèi)圈節(jié)點Y方向加速度曲線

圖4 內(nèi)圈點缺陷軸承內(nèi)圈節(jié)點Y方向加速度曲線

圖5 外圈點缺陷軸承內(nèi)圈節(jié)點Y方向加速度曲線

從圖2~圖5可以看出,正常情況下軸承與有點缺陷情況軸承相比較,內(nèi)圈滾道節(jié)點Y方向的加速度曲線沒有明顯的規(guī)律可循,不同時刻的峰值大小也不一樣,呈現(xiàn)高度的隨機性,這反映了軸承元件運動及受力的復(fù)雜程度。為研究各元件有點缺陷時對軸承運動的影響,利用振動的時域統(tǒng)計參數(shù)對加速度曲線進行進一步分析,結(jié)果如表1所示。

表1 軸承振動時域統(tǒng)計參數(shù)值(單位:106mm/s2)

4 軸承振動統(tǒng)計參數(shù)分析

4.1 振動有量綱統(tǒng)計參數(shù)分析

由表1可得,當(dāng)軸承滾子出現(xiàn)點缺陷時,峰值、均值和方差均明顯變大,均方根值雖然變大,但幅度不是太大,方差均值比和方根幅值都有減小,且方差均值比減小的幅度更明顯,但當(dāng)外圈出現(xiàn)點缺陷時,方差均值比也明顯減小,所以不能單一使用方差均值比作為滾子點缺陷的判斷指標(biāo),因此可以用峰值、均值和方差來作為軸承滾子點缺陷的判斷指標(biāo);當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)點缺陷時,峰值、均值、均方根值、方根幅值和方差都小幅度減小,但減小的幅度不是很明顯,而方差均值比成明顯的增長趨勢,因此可用方差均值比作為內(nèi)圈點缺陷的判斷指標(biāo);當(dāng)軸承外圈出現(xiàn)點缺陷時,振動的峰值和均值小幅度減小,均方根值、方根幅值、方差和方差均值比明顯減小,因此均方根值、方根幅值和方差可以用作外圈點缺陷出現(xiàn)的判斷指標(biāo)。

4.2 振動無量綱統(tǒng)計參數(shù)分析

由表1可得,當(dāng)軸承滾子出現(xiàn)點缺陷時,波形指標(biāo)和脈沖指標(biāo)都有減小趨勢,且波形指標(biāo)減小的幅度更明顯,峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)有明顯的增大趨勢;當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)點缺陷時,峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)都沒有明顯的變化,而波形指標(biāo)和脈沖指標(biāo)有所增加;當(dāng)外圈出現(xiàn)點缺陷時,除了波形指標(biāo)有減小的趨勢外,其他參數(shù)都成明顯的增長趨勢,由此可以得出,對于軸承元件點缺陷的出現(xiàn),不能用單一的無量綱統(tǒng)計參數(shù)來判斷,但可以綜合無量綱統(tǒng)計參數(shù)的變化情況來判斷軸承元件點缺陷的出現(xiàn)。當(dāng)峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)明顯增加,但脈沖指標(biāo)卻呈減小趨勢時,可以判斷此時可能在軸承滾子上出現(xiàn)了點缺陷;當(dāng)波形指標(biāo)減小,但其他參數(shù)卻都明顯增大時,這時可能在軸承外圈上出現(xiàn)了點缺陷;當(dāng)軸承內(nèi)圈點缺陷時,其無量綱統(tǒng)計參數(shù)沒有明顯的變化,因此不適合用無量綱統(tǒng)計參數(shù)來判斷軸承內(nèi)圈是否發(fā)生點缺陷。

5 結(jié)論

鐵路貨車輪對使用的3531310B型滾動軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜,本文基于ANSYS/LS-DYNA顯式動力學(xué),建立3531310B型滾動軸承內(nèi)、外圈及滾子的點缺陷模型,進行動力學(xué)仿真分析,通過提取正常軸承和有點缺陷軸承運行時內(nèi)圈滾道節(jié)點Y方向的加速度曲線,進行軸承振動信號時域分析,通過分析和比較振動信號的時域統(tǒng)計參數(shù)可得到如下結(jié)論:

1)內(nèi)圈滾道節(jié)點Y方向加速度曲線沒有明顯的周期性,呈現(xiàn)隨機性,反映了軸承運動時內(nèi)部元件受力的高度非線性。

2)當(dāng)滾子出現(xiàn)點缺陷時,峰值、均值和方差較其他元件有點缺陷變化明顯,因此可以用峰值、均值和方差作為滾子點缺陷的判斷指標(biāo)。

3)當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)點缺陷時,方差均值比與其他元件有點缺陷相比有明顯的變化,因此可以用方差均值比來作為內(nèi)圈點缺陷的判斷指標(biāo)。

4)當(dāng)外圈點蝕出現(xiàn)時,均方根值、方根幅值和方差較其他元件有點缺陷明顯減小,因此可以用均方根值、方根幅值和方差來作為外圈點缺陷的判斷依據(jù)。

5)單一的無量綱統(tǒng)計參數(shù)無法正確地對軸承缺陷進行判斷,但將無量綱統(tǒng)計參數(shù)進行綜合比較分析,可以作為點缺陷的判斷依據(jù),如當(dāng)峭度指標(biāo)、峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)明顯增加,但脈沖指標(biāo)卻呈減小趨勢時,可以作為滾子點缺陷判斷的依據(jù);當(dāng)波形指標(biāo)減小,但其他參數(shù)卻都明顯增大時,可以作為外圈點缺陷判斷的依據(jù);軸承內(nèi)圈點缺陷因其無量綱統(tǒng)計參數(shù)沒有明顯的變化,不適合用無量綱統(tǒng)計參數(shù)來判斷軸承內(nèi)圈是否發(fā)生點缺陷。

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