轮轨激励条件下轴箱轴承内圈故障振动特性分析

高速列车运行过程中，轮轨复杂激励会对轴箱轴承的动力学行为产生不可忽视的影响.首先利用UM(universal mechanism)软件建立车辆-轨道动力学模型，在对车辆模型进行稳定性、平稳性和安全性验证的基础上，获取了复杂激励下轴箱轴承所受的垂向、纵向和横向载荷；然后，通过Solidworks软件和ADAMS软件建立了轴箱轴承内圈剥离故障动力学模型，通过与滚振实验台轴箱轴承实验对比，验证了所提模型的准确性.通过动力学仿真分析可知，轴箱轴承故障侧的滚子与内圈接触载荷大于非故障侧与正常轴承，故障侧保持架的振动大于非故障侧与正常轴承，内圈故障冲击加剧了轴承保持架与外圈的质心波动.最后，进一步对比考虑轮轨激励下与定载荷下故障轴承仿真结果发现，受轮轨激励的影响轴承内部各个元件间的接触载荷显著增大，轴承保持架与外圈质心运动轨迹盒维数显著增大.研究成果对揭示实际工况下高速动车组轴箱轴承内部元件振动特性规律具有重要意义.     

局部剥落故障对滚动轴承接触与振动特性的影响

为了研究局部剥落故障对滚子与故障周边区域之间的接触特性以及轴承振动响应特征的影响规律,基于圆柱滚子与轴承滚道局部剥落故障之间接触关系,建立滚子与滚道接触等效有限元模型和考虑故障过渡区的圆柱滚子轴承动力学模型,研究故障宽度对滚子与滚道之间接触变形、应力、宽度和刚度以及轴承振动响应的影响规律。研究结果表明:随着局部剥落故障宽度的增大,接触宽度减小,接触应力与接触变形量增大;考虑局部剥落故障过渡区的轴承振动加速度大于不考虑局部剥落故障过渡区的轴承振动加速度。     

考虑滚动轴承故障处塑性变形的有限元建模与动力学特性分析

针对传统动力学模型难以考虑滚动轴承故障处的塑性变形对轴承动力学特性的影响这一问题，提出了考虑滚动轴承故障处塑性变形的有限元模型并进行了动力学特性分析。首先，采用线弹性材料本构模型，在ANSYS LS-DYNA环境下建立了考虑滚动体和外圈滚道不产生塑性变形的弹/弹模型；其次，考虑滚动体过故障时产生塑性变形，采用塑性随动强化本构模型，建立了滚动体和外圈故障处都产生塑性变形的塑/塑模型；最后，考虑故障处最容易产生塑性变形，采用线弹性材料本构模型和塑性随动强化本构模型相结合，建立了滚动体产生弹性变形而故障处产生塑性变形的弹/塑模型。以上模型在轴承元件接触部位都对网格进行了均匀细化，在减少穿透量的同时提高了模型的计算精度。仿真结果表明，与以往不考虑故障处塑性变形的弹/弹模型相比，考虑故障处塑性变形的塑/塑模型和弹/塑模型的峰峰值、均方根值以及加速度信号幅值约减小了1/2,且与测试所得结果波形及幅值更具有一致性；与弹/塑模型相比，塑/塑模型滚动体与内外圈接触力大小、滚动体应变值无明显变化，得出滚动体几乎不产生塑性变形，因此在建模时可以建立仅考虑故障处产生塑性变形的弹/塑模型。     

考虑时变位移激励的轴承圆形故障动力学

建立轴承剥落故障的动力学模型是研究轴承故障机理的常用手段,由于滚动体在经过故障区时的接触情况较为复杂,所以准确地建立轴承剥落故障时变激励函数对轴承故障动力学模型的正确性具有很大影响。但是在解决轴承圆形故障时现有的单一化激励函数难以准确表达滚动体与故障的实际接触情况。因此,主要以深沟球轴承外圈剥落故障为研究对象,构建了考虑圆形剥落故障引起的弹性形变和滚动体经过故障区域瞬时位置的时变位移激励模型。研究了滚动体经过外圈圆形故障区域时的接触间隙变化规律,分析了不同故障尺寸的双冲击信号之间的时间间隔特征并通过仿真和实验进行对比的方法验证建立模型的有效性,为研究轴承剥落故障提供了理论支撑。     

滚动轴承外圈局部缺陷的有限元动力学分析

以滚动轴承为研究对象,应用ABAQUS/Explicit建立外圈表面线剥落缺陷轴承和无缺陷轴承的有限元动力学分析模型.考虑载荷、转速、接触及摩擦等影响因素,研究了轴承外圈表面存在线剥落缺陷和无缺陷时的动力学响应;分析了滚动体与外圈间的接触力变化、滚动体进入和退出缺陷时的等效应力情况,根据滚道与滚动体间接触力的变化情况描述了滚动体滚过缺陷的多事件情景.结果表明:对于外圈表面存在局部缺陷的轴承和无缺陷轴承,滚动体与外圈的接触力幅值相等;缺陷轴承在缺陷进入点和退出点处,等效应力大小相等,约为无缺陷轴承等效应力值的两倍.通过分析径向载荷和转速共同作用下内圈耦合点在竖直方向上位移的变化趋势,验证了仿真模型的有效性.     

电主轴角接触球轴承摩擦学和动力学耦合分析

基于弹性流体动力润滑理论和动力学理论,对角接触球轴承(主轴轴承)进行摩擦学特性和动力学特性耦合研究.在Ansys软件中建立考虑主轴轴承摩擦学特性的动力学仿真模型,利用有限差分法求解弹流润滑的Reyn-olds方程和弹性方程,求解轴承油膜反力,在Ansys中进行动力学仿真,输出轴承零件各种运动参数特性曲线.研究表明,速度是影响主轴轴承内部弹流油膜的重要因素,在相同的预载荷、接触角等工况条件下,陶瓷角接触球轴承的内圈油膜厚度随转速增大先增大后逐渐减小,外圈油膜厚度随转速增大开始变化不明显,随后明显减小.     

模式分析的核函数设计方法及应用

利用卷积算子和H1(R)核函数给出了一种设计Hn(R)核函数的新方法,该方法简便易行。运用该方法设计的核函数,应用在轴承正常振动信号数据、轴承内圈、外圈以及滚动体故障振动信号数据进行核主成分分析(KPCA)中,仿真结果表明:该方法可以有效地识别轴承正常和内圈、外圈以及滚动体故障。     

基于显式动力学的发动机转子中介轴承的仿真分析

为研究复杂工况下中介轴承的动力学特性，针对外圈支承于低压转子轴颈，内圈支承于高压转子轴颈支承形式的中介轴承的工作特点，应用LS-DYNA建立了中介圆柱滚子轴承动力学模型，开展动力学仿真。该模型以显式算法为基础，在充分考虑中介轴承转速、旋转方向、负载、接触及摩擦的条件下，基于动力学仿真模型，分析了中介轴承应力水平随内外圈旋转方向、内外圈转速及径向外载荷变化的规律。分析结果表明：在内外圈反向旋转以及外圈转速增加的情况下中介轴承的振动更为平稳，而在径向外载荷增大的情况下，中介轴承的振动更加剧烈。仿真结果验证了模型的正确性，为中介轴承故障诊断提供了有益参考。     

组件温度对球轴承热冲击流变润滑特性的影响

为了研究组件温度对球轴承热冲击流变润滑性能的影响,考虑轴承组件温度与供油温度之间的差异,采用Eyring剪稀流体建立了球轴承热冲击流变弹流润滑模型,利用多重网格方法与时变性、流变性和温度场的分析技术研究了组件温度对动态油膜热流变弹流润滑性能的影响,并对极端工况下的热失效现象进行分析.结果表明:滚动体温度越高,其油膜厚度及摩擦系数越小;在极端工况下,轴承内圈与滚动体之间出现了高压、高温和低膜厚现象;轴承内圈温度达到边界膜脱附时的第1临界温度,且轴承内圈与滚动体之间处于混合润滑状态.因此,分析滚动轴承的非稳态热流变弹流润滑特性时需考虑轴承温度场的影响.     

一般速度条件下球轴承工作特性分析

速度通过惯性力作用于轴承,对其内部工作特性影响很大.高速时滚动体与内外圈接触角不再相等,内圈接触角大于外圈接触角.接触载荷的变化情况与接触角变化不同,在一定的转速条件下,外圈接触载荷大于内圈接触载荷.由于内圈接触角随转速的增加而减小,导致轴承径向刚度随转速的增加而降低.转速越高,轴承的工作情况变化越大.     

含局部故障的滚动轴承动力学建模及振动分析

基于ANSYS/LS-DYNA软件建立了健康圆柱滚子轴承的二维显式有限元模型,并从轴承运动学的角度验证了本文所建有限元模型的有效性.在健康圆柱滚子轴承模型中引入利用圆周矩形模拟的内、外滚道局部剥落故障,建立含局部剥落故障的圆柱滚子轴承有限元模型,分析了故障区边缘单元的等效应力和滚子滚过内外圈局部缺陷的过程.将仿真结果与实验测试结果对比分析,证明了本文所建立的含局部剥落故障的圆柱滚子轴承有限元模型的正确性.在此基础上,研究了局部故障区域平滑程度对滚动轴承振动特性的影响,故障区域越平滑,振动响应越小.研究结果可为滚动轴承故障诊断提供一定参考.     

计入粗糙度的深沟球轴承弹塑性接触性能分析

为揭示表面粗糙度对深沟球轴承弹塑性接触性能的影响,根据该轴承的载荷分布,把滚动体与内滚道接触转变为二次型函数极值问题,并建立考虑表面粗糙度的该轴承弹塑性接触模型,运用半解析法对该模型进行求解,获得了计入表面粗糙度影响的深沟球轴承弹塑性接触性能。数值结果表明:表面粗糙度会使内滚道宽度方向两端处的局部压力减小,同时使内滚道接触压力、von Mises应力、残余应力和残余变形的幅值较光滑情况时增大;同时表面粗糙度导致深沟球轴承中内滚道接触压力和残余变形分布发生波动,易使内滚道次表面产生应力集中,进而影响轴承整体使用寿命。     

基于小波包分解的滚动轴承故障诊断

提出了一种基于小波包分析的滚动轴承故障诊断方法用于实现滚动轴承早期故障的检测.该方法的诊断过程如下:对轴承原始振动信号进行频谱分析,获取振动信号能量集中的频段.根据频段的范围和振动信号的采样频率确定小波包分解的层数.采用小波包分解的方法提取滚动轴承振动信号中能量集中的频段并生成相应的重构信号,对重构后的振动信号进行Hilbert变换和二次频谱分析.通过对比轴承故障的特征频率和二次频谱中的特征谱线判断轴承是否有故障及其发生位置.运用上述方法对具有外环故障的滚动轴承进行了实验研究并成功地实现了滚动轴承外环故障的检测.实验结果表明基于小波包分析的诊断方法可以有效诊断出滚动轴承的早期故障.     

角接触球轴承打滑可靠性灵敏度分析

轴承打滑易造成轴承的早期失效,传统的轴承打滑分析方法认为轴承参数是确定的,而在实际工况中轴承参数具有随机性,从而造成较大的分析误差.针对此问题,考虑随机因素的影响,提出一个角接触球轴承打滑行为的可靠性分析模型.基于轴承拟静力学分析和试验打滑判据得到轴承的打滑临界平面,以轴承是否打滑为判别条件,建立轴承打滑的极限状态方程,采用Kriging方法进行了可靠性灵敏度分析,评价轴承各参数对打滑现象的影响程度.研究结果表明:轴承滚动体直径的变化对轴承打滑现象影响最大,轴承内、外圈沟道直径和曲率半径的变化对其影响次之,接触角的变化对其影响较小.该研究为防止轴承打滑引起早期失效提供理论依据.     

预紧对高速角接触球轴承动态刚度的影响

以滚动轴承动力学和沟道控制理论为基础,建立考虑预紧的高速角接触球轴承动力学模型.依据赫兹接触理论,给出考虑预紧的轴承径向刚度、轴向刚度和角刚度计算表达式.以7012/CD轴承为例,分析预紧对高速角接触球轴承动态刚度的影响.分析结果表明,定位预紧下轴承的径向刚度随转速的增大而增大,而轴向刚度和角刚度随转速的增大,先增大后减小;定压预紧下,轴承径向刚度受转速影响较小,而轴向刚度和角刚度随转速增大急剧下降.当轴承转速较高时,采用定位预紧较定压预紧可获得更高的刚度.     

基于网格搜索与支持向量机的轴承故障诊断

针对轴承故障诊断问题,提出一种基于相关度分析与网格搜索算法(GS)优化支持向量机(SVM)的轴承故障诊断方法。采用GS算法对SVM的惩罚参数c和核函数参数g进行寻优,以此建立分类器用于识别轴承故障类型。在模型建立方面巧妙地加入了分层的思想,通过相关度分析之后采用多层GS-SVM模型使轴承的故障诊断准确率相对于近年来的研究得到了明显的提升。最后,采用凯斯西储大学轴承数据中心的滚动轴承故障数据进行了分类识别实验。实验表明,研究提出的轴承故障诊断方法在直接作用于原信号的基础上不仅能够有效的识别轴承正常状态、内圈故障、外圈故障以及滚珠故障,而且还对每一类故障的严重程度有很好的区分,提高了故障类样本的诊断正确率,具有较强的实用性。     

深沟球轴承动态有限元数字仿真

基于动态接触力学和显式动力学有限元算法,采用三维实体单元建立参数化的深沟球轴承三维有限元模型.利用有限元软件LS-DYNA和自适应网格技术对深沟球轴承的工作运动过程进行了数值模拟,得出了轴承内外圈、滚珠、保持架之间的接触应力、应变的变化情况及接触过程中的压力分布情况.并将计算结果与赫兹理论计算结果进行比较,验证了动态有限元仿真的合理性.在此基础上,综合考虑了轴承原始制造误差、转速、载荷等不同工况对轴承动态性能的影响,为轴承的疲劳强度计算和动态优化设计提供了可靠的理论依据.     

轴承结构参数的随机性对轴承刚度灵敏度的影响

采用拉丁超立方抽样确定了角接触球轴承结构参数的样本点,通过Powell和Newton-Raphson相结合的算法计算了非线性方程组,将计算得到的轴承刚度的响应值应用Kriging法进行响应面拟合.利用M onte Carlo随机抽样法确定了轴承结构参数的均值和方差对轴承刚度均值的灵敏度.研究结果表明:轴承轴向和径向刚度对轴承结构参数的均值和方差的灵敏度呈现相反的影响趋势.轴承刚度对轴承滚动体直径的变化反应最灵敏,轴承内、外圈沟道曲率半径的变化对其影响次之,外沟道直径的变化对其影响最小.该研究为轴承的结构参数和加工精度的选择及零件的分选提供了理论依据.     

电主轴轴承高速性能的分析

根据Ｊｏｎｅｓ套圈控制理论建立的动静分析法，确定考虑球离心力和回转力矩，球和滚道之间的接触状态和运动状态，进而预测旋滚比。分析了影响高速性能的因素和实现高速化的途径。所得结论和计算程序对高速轴承的开发应用有实用价值。