軸承保持架沖擊的小波分析

劉品，黃迪山，莫遠(yuǎn)珍，傅慧燕

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200230)

1 滾動(dòng)體與保持架碰撞機(jī)理

軸承保持架振動(dòng)的原因有許多，但與滾動(dòng)體碰撞引起的振動(dòng)是最重要的。當(dāng)軸承承受載荷時(shí)，在載荷區(qū)和非載荷區(qū)的滾動(dòng)體由于在圓周上所處角位置不同, 滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)角速度也不同，而保持架以各個(gè)滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)角速度的平均值進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，如圖1所示，在每一個(gè)滾動(dòng)體位置將產(chǎn)生保持架兜孔導(dǎo)前或滯后于滾動(dòng)體的碰撞。由于碰撞過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷，如果發(fā)生共振，還會(huì)產(chǎn)生極高的應(yīng)力，甚至導(dǎo)致保持架失效。國內(nèi)、外多次出現(xiàn)因?yàn)楸３旨艿臎_擊和振動(dòng)造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸球軸承保持架疲勞斷裂的故障[2-3]。文獻(xiàn)[4]通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承保持架疲勞斷裂的分析，認(rèn)為對(duì)保持架疲勞斷裂產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響的作用力就是滾動(dòng)體對(duì)保持架兜孔的彈性碰撞力。

圖1 滾動(dòng)體與保持架碰撞機(jī)理

基于滾動(dòng)體與保持架碰撞研究的現(xiàn)狀，本例通過對(duì)軸承外圈作特殊加工，在同一徑向平面上安裝兩個(gè)相互垂直激光位移傳感器，檢測(cè)實(shí)體保持架在徑向平面的振動(dòng)位移[5]，從采集到的保持架振動(dòng)信號(hào)中用小波分析法提取滾動(dòng)體與保持架的碰撞信息。

2 試驗(yàn)裝置

選擇實(shí)體保持架作為試驗(yàn)對(duì)象，用激光位移傳感器測(cè)量其振動(dòng)位移。由于保持架位于軸承內(nèi)、外圈之間，不能直接用激光測(cè)量保持架的徑向運(yùn)動(dòng)。因此，需要對(duì)軸承外圈進(jìn)行特殊處理，讓激光光束能夠直接照射到保持架上，才能測(cè)量保持架的徑向振動(dòng)。采用電火花鉬絲切割技術(shù)在軸承外圈邊框上切4個(gè)互成90°、寬2.2 mm、深2 mm的槽，該槽深度不能侵入外滾道，而且槽的加工不影響軸承的正常旋轉(zhuǎn)。激光光束透過槽孔能夠連續(xù)照射到保持架圓周邊框，如圖2a所示。試驗(yàn)裝置由安德魯試驗(yàn)臺(tái)、激光傳感器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖2b所示。

圖2 保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡激光測(cè)量原理

試驗(yàn)軸承型號(hào)為7002/P4，外徑32 mm,內(nèi)徑15 mm，球徑4.763 mm，球數(shù)n=11。軸承安置在安德魯?shù)尿?qū)動(dòng)軸上，軸向加載分別為22.23(5磅)，44.46(10磅)和88.92 N(20磅)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。采用兩個(gè)KYENCE激光探頭LK-G30，其測(cè)量分辨率為0.05 μm，光束斑點(diǎn)20 μm。在檢測(cè)時(shí)，設(shè)置信號(hào)的采樣頻率為10 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為65 536，同時(shí)對(duì)保持架位移進(jìn)行x，y方向數(shù)據(jù)采集。

3 保持架質(zhì)心軌跡圖

質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡圖是描述保持架穩(wěn)定性的工具，用它可定性地描述軸承保持架渦動(dòng)和穩(wěn)定的狀態(tài)。用激光傳感器同時(shí)拾取保持架徑向平面上x，y方向上的振動(dòng)信號(hào)。用小波函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器，截止頻率fcut=26 Hz，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。則保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

z=x+jy。

在軸向加載分別為22.23，44.46和88.92 N及保持架傾斜時(shí)，用保持架徑向平面上x，y方向上的振動(dòng)信號(hào)合成的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。隨著軸向載荷的增大，保持架的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)區(qū)域有減小的趨勢(shì)，保持架運(yùn)動(dòng)隨載荷的增加而更加穩(wěn)定。如果在相同的軸向載荷下，軸承外圈受力不均勻，以致外圈稍有傾斜，則保持架運(yùn)動(dòng)軌跡趨于不穩(wěn)定。

圖3 軸向載荷下保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡

4 小波基選擇

雖然保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡能形象地描述其穩(wěn)定性，但不能描述保持架與滾動(dòng)體沖擊的狀況，因而有必要尋找其他方法識(shí)別其沖擊信息。小波變換具有多分辨特性，而奇異特性在提取時(shí)間域局部沖擊特征信號(hào)時(shí)有著顯著效果，因此本例應(yīng)用小波變換對(duì)軸承保持架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提取保持架與滾動(dòng)體碰撞引起的沖擊信號(hào)。

保持架出現(xiàn)沖擊時(shí)，在振動(dòng)信號(hào)的某些時(shí)段上呈近似的衰減震蕩波形，為突出這一特征，從振動(dòng)信號(hào)中檢測(cè)沖擊信號(hào)，選取的小波基函數(shù)應(yīng)適應(yīng)這種波形。本案采用Daubechies族小波，其波形符合上述特征。應(yīng)用中，根據(jù)它與實(shí)測(cè)保持架振動(dòng)信號(hào)符合程度的相對(duì)誤差進(jìn)行判斷。通過對(duì)Daubechies各階小波基的分解分量進(jìn)行信息重構(gòu)和重構(gòu)誤差分析，選擇最優(yōu)小波基。圖4是保持架振動(dòng)的原始信號(hào)；圖5為3種Daubechies小波對(duì)保持架振動(dòng)信號(hào)的重構(gòu)與誤差波形，運(yùn)用Daubechies2(db2)小波時(shí)，原始信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)的相對(duì)誤差為2×10-13，重構(gòu)誤差為最小。因此，在以下分析中將選擇db2為小波基。

圖4 保持架振動(dòng)信號(hào)

圖5 基于Daubechies族小波重構(gòu)和誤差

5 小波分析

小波分解將原始信號(hào)分解成低頻和高頻兩部分，從第2層開始僅對(duì)低頻部分信號(hào)進(jìn)行分解，最后形成從高到低的各個(gè)頻段信號(hào)。小波分解的過程使用db2小波，分解水平N=5。軸向加載分別為22.23，44.46和88.92 N的軸承保持架水平振動(dòng)位移分解后的低頻和高頻系數(shù)如圖6～圖8所示，取2.20～2.40 s的點(diǎn)進(jìn)行分析。圖中s為采集到的原始信號(hào)，d1～d5分別為1～5層的波段。

時(shí)間/s

從圖6的d1，d2波段可以觀測(cè)到存在多處高頻突變,這就意味著在該時(shí)刻附近存在高頻突變信息，是滾動(dòng)體沿周向與保持架過梁碰撞產(chǎn)生的沖擊。

時(shí)間/s

軸向加載為22.23和44.46 N時(shí)，從圖6、圖7的d1，d2波段可以觀測(cè)到存在多處連續(xù)沖擊,并具有周期性。在這種情況下，沖擊幅度隨載荷增加而減小。但軸向加載至88.92 N時(shí)，在圖8的d1，d2波段上，沖擊次數(shù)明顯增多，周期性不明顯，但沖擊幅度基本不變。

時(shí)間/s

如果軸向加載為88.92 N，同時(shí)外圈受軸向力不均勻，外圈略有偏斜，由圖9的d1，d2波段可以看出，沖擊次數(shù)更多、幅度明顯增大且沖擊呈隨機(jī)性變化。

時(shí)間/s

由于保持架與滾動(dòng)體速度不完全一致,導(dǎo)致碰撞發(fā)生，呈現(xiàn)沖擊波形。碰撞的結(jié)果是保持架的速度發(fā)生改變,表現(xiàn)為保持架整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中速度出現(xiàn)波動(dòng)，因而保持架質(zhì)心軌跡也相應(yīng)發(fā)生變化。結(jié)合小波分解和質(zhì)心軌跡圖分析可知：當(dāng)保持架碰撞次數(shù)少時(shí)，保持架沖擊次數(shù)少，并具有周期性，質(zhì)心軌跡較平穩(wěn)；反之，當(dāng)保持架碰撞次數(shù)多時(shí)，保持架沖擊次數(shù)多且幅度大并具有隨機(jī)性，質(zhì)心軌跡則趨于混亂。

6 結(jié)束語

采用db2小波為基函數(shù)對(duì)保持架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行5層分解，從分解的各個(gè)波段信號(hào)中提取滾動(dòng)體與保持架的碰撞沖擊，數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了小波分析的有效性。利用小波分析可以檢測(cè)軸承保持架在各種工況下的沖擊碰撞幅度和周期性變化，為保持架疲勞壽命估計(jì)提供了依據(jù)。

由于保持架受質(zhì)量不平衡力、慣性力及離心力等復(fù)雜因素的影響,其不可避免地存在與球的沖擊。當(dāng)軸向載荷增大，在一定范圍內(nèi)使接觸角均勻化,使各滾動(dòng)體圓周速度均勻化，從而減少滾動(dòng)體與保持架的周向碰撞，保持架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)。而內(nèi)、外圈的相對(duì)歪斜將使?jié)L動(dòng)體在一周的運(yùn)轉(zhuǎn)中接觸角變化增大,使其圓周速度變化增大，從而導(dǎo)致滾動(dòng)體與保持架的周向碰撞頻度加劇。因此在軸承裝配時(shí)，應(yīng)減少套圈相對(duì)偏斜，降低滾動(dòng)體與保持架的碰撞頻度，防止保持架疲勞斷裂。