角接触球轴承典型故障的声振耦合动力学建模与仿真研究

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作为关键的支撑部件,角接触球轴承因其结特的殊性而被广泛应用于各种旋转机械系统。然而,因为其工作环境多为轴径向联合载荷、高速和重载等恶劣工况,导致轴承极易发生故障。目前,轴承故障已经成为旋转机械系统主要失效故障之一。滚动体在进入和退出承载区的过程中,滚动体与滚道之间的打滑运动不可避免,严重时会造成轴承工作温度骤升且使得接触处润滑特性恶化,导致轴承元件出现失效,因此亟待开展滚动体与滚道之间的接触处的打滑运动的影响因素研究,提出打滑抑制措施;当滚道表面出现故障时,滚动体通过局部故障的过程中会产生冲击脉冲,局部故障可能会发生于滚动中心线及附近位置、局部故障拓展方向,并不完全与滚道中心线平行,而目前局部故障偏置距离、偏斜角度与其造成的冲击脉冲响应的关系尚未解明,因此亟待开展偏置、偏斜局部故障位移激励模型研究,开展局部故障偏置距离、偏斜角度对轴承振动特性的研究,为角接触球轴承早期局部故障的准确诊断提供参考;此外,轴承内部的表面缺陷诱发的冲击振动将导致轴承产生异常噪声,影响机械装备的工作性能,但目前噪声模型对于轴承内部元件的运动、受力状态考虑简单,无法获得较为准确的轴承噪声特征,因此开展角接触球轴承振动与噪声耦合建模方法研究,为角接触球轴承早期局部故障的噪声监测诊断提供新的参考。论文的主要研究内容:(1)针对角接触球轴承内部打滑运动机理及润滑特性不清等问题,提出角接触球轴承摩擦振动动力学模型,研究轴承滚道表面粗糙度、轴向载荷对滚动体运动状态和接触处润滑特性的影响规律,为滚动体与滚道接触处打滑抑制方法提供理论支撑。(2)针对角接触轴承滚道表面波纹诱发的异常振动问题,提出考虑摩擦和圆度/波纹度复合误差耦合激励的角接触球轴承动力学模型,研究滚动体公转角速度波动、波纹度幅值、轴向载荷和圆度阶次等因素对轴承内圈振动加速度频谱特性、时域统计特征和滚动体运动状态的影响规律。(3)针对目前局部故障偏置距离、偏斜角度与其造成的冲击脉冲响应的关系尚未解明的问题,提出了偏置、偏斜局部故障位移激励模型,耦合角接触球轴承摩擦振动动力学模型和偏置/偏斜局部故障位移激励模型。研究了偏置距离和偏斜角度对轴承内圈振动加速度时、频谱特性和时域统计特征的影响规律。(4)针对角接触球轴承振动与噪声之间的耦合难题,提出角接触球轴承声-振耦合模型,研究了载荷、转速等工况参数对轴承噪声的影响规律;基于含局部故障和波纹度故障的耦合声-振耦合模型,研究局部故障尺寸、波纹度幅值等参数对轴承噪声的影响规律。
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