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1、第17卷增刊振動(dòng)工程學(xué)報(bào)Vol.17No.S2004年8月JournalofVibrationEngineeringAug.2004支承松動(dòng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型及其故障診斷方法研究劉獻(xiàn)棟‘何田2李其漢2(‘北京航空航天大學(xué)汽車工程系北京，100083)“北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院北京，100083)摘要針對(duì)滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承松動(dòng)故障，以轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、Hert:接觸理論和非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。在對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值積分之后，利用頻譜和小波變換對(duì)所獲振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了處理
2、，并將結(jié)果進(jìn)行了比較、分析。關(guān)鍵詞:滾動(dòng)軸承;轉(zhuǎn)子系統(tǒng);小波分析;故障診斷中圖分類號(hào):TM711轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承松動(dòng)故障是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障中比較示。在該模型中，左、右支座的質(zhì)量均為ml，轉(zhuǎn)軸及常見(jiàn)且危害較大的故障。松動(dòng)故障可以降低系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤(pán)在轉(zhuǎn)盤(pán)處有等效質(zhì)量M，在兩端軸承處的等效抗振能力，使原有的不平衡、不對(duì)中所引起的振動(dòng)更質(zhì)量都為m2，等效質(zhì)量之間為無(wú)質(zhì)量彈性軸段，阻加劇烈。當(dāng)松動(dòng)故障嚴(yán)重時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械可能引起轉(zhuǎn)動(dòng)尼系數(shù)為。，剛度系數(shù)為k。兩端由滾動(dòng)軸承支承，忽件與靜止件碰撞、摩擦等故障，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故略
3、軸承質(zhì)量，將其簡(jiǎn)化為非線性彈簧,a。為軸承的發(fā)生。非線性剛度系數(shù)。忽略軸的軸向位移，只考慮軸承徑目前，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承松動(dòng)故障的診斷側(cè)重于向振動(dòng)。假定左端支座垂直方向出現(xiàn)松動(dòng)，松動(dòng)最大頻譜分析〔卜21。而頻譜分析，不能較好地揭示非平穩(wěn)信號(hào)的信息。滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在支承松動(dòng)下的振間隙為6;k，和c，為無(wú)松動(dòng)端(即右端)基礎(chǔ)與支座動(dòng)信號(hào)中包含沖擊等非平穩(wěn)信號(hào)，因此對(duì)這種非平的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)(徑向垂直與徑向水平方向穩(wěn)信號(hào)的檢測(cè)和分析對(duì)于其診斷有重要意義。本文相等);kf,和。f,(r=1為徑向水平方向，r
4、=2為徑向針對(duì)系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，建立了帶有支座松動(dòng)故障的垂直方向)為左端基礎(chǔ)與松動(dòng)支座的剛度系數(shù)和阻滾動(dòng)軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬，尼系數(shù)(松動(dòng)時(shí)是關(guān)于位移的分段函數(shù))。并利用頻譜、小波變換對(duì)支座在正常、松動(dòng)兩種情況下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了研究、分析。1.1滾動(dòng)軸承非線性支承力滾動(dòng)軸承可簡(jiǎn)化為無(wú)質(zhì)量、無(wú)阻尼的非線性彈1滾動(dòng)軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承松動(dòng)的力簧[3]。按照Hertz理論，滾動(dòng)軸承的彈性作用有以下學(xué)模型形式[‘〕本文對(duì)彈性支承的轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)進(jìn)行研究。帶尸=ao護(hù)有支座松動(dòng)的滾動(dòng)軸承一轉(zhuǎn)子的
5、力學(xué)模型如圖1所式中a,>0為非線性剛度系數(shù)，對(duì)于球軸承，b=3/2。滾動(dòng)軸承相當(dāng)于一個(gè)硬性彈簧。1.2動(dòng)力學(xué)方程m1k,根據(jù)前述的軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)力學(xué)模型和軸承剛c,度的非線性形式，可得到如下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程圖1系統(tǒng)的力學(xué)模型收稿日期:2004-03-20增刊劉獻(xiàn)棟等:支承松動(dòng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型及其故障診斷方法研究m,x,+cfx，十kfx,+F,i=0承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，將其改寫(xiě)為狀態(tài)方程，二m,yl+Cfyi+kfy,+F,,1=一m,gf(s,t)的形式，然后利用四階的龍格一庫(kù)塔(R-K)法進(jìn)
6、行積分。m2x2+c(x:一x3)+k(x:一x3)=F=1M2Y:十c(y:一y3)+k(y:一y3)=Fy，一M292小波變換在松動(dòng)故障信號(hào)奇異性檢M.x3+c(x，一z2)+k(x，一x2)+測(cè)中的應(yīng)用c(x3一xa)+k(x3一x4)=mew2cos(wt)M.Y3十c(.Y3一Y2)+k(y:一.Y2)十針對(duì)圖1所示的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)左端支座正常和松動(dòng)c妙:一YO+k(.Y3一y4)=mew2sin(cut)一Mg情況，在。=410rad/s轉(zhuǎn)速下進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)m2xq+c(x;一x3)+k(x
7、;一Xs)=Fza左支座振動(dòng)仿真結(jié)果10個(gè)周期的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行M2Y4+c(Y;一YO+k(y;一YO=F,,‘一M29Fourier變換和小波變換。圖2所示的正常情況和圖m,xs十Cf,xs+kf,xs十凡;二03所示的松動(dòng)情況下的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖沒(méi)有明顯差別，可見(jiàn)通過(guò)Fourier變換在該轉(zhuǎn)速下不能有效地mlys+Cf,YS+kf,YS+凡;=一mig識(shí)別輕微的松動(dòng)效應(yīng)?？紤]到軸承的壓縮量S的方向性，則軸承的彈性支頻譜圖承力為1十a(chǎn)osign(x:一x,)Ix:一xiI01‘Jaosign(y:一Yl
8、)IY:一Yi}“惻l}F,,}二臀隊(duì)esaosign(x‘一X,)Ix‘一xsIhJ‘‘‘.，..
9、0﹄0ndo0n、.aosign(y;一Ys)IY‘一Y51b曰且︸}Fs,,,=_頻創(chuàng)丈八﹃Z氣甘本文考慮了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)正常、松動(dòng)兩種情況下支承的圖2正常情況剛度和阻尼:頻譜圖1)正常情況才‘一‘hf,;}kfz一‘vf,瑪l`f}=Chf,Lc幾=幾人暨2)支座松動(dòng)松動(dòng)端的水平徑向、垂直徑向的剛度和阻尼由5001000于松動(dòng)間隙的影響而視為分段線性頻率/
