軸承故障周向寬度對系統振動響應的影響

何付軍 火箭軍士官學校

研究軸承故障參數對系統振動的影響，首先需要弄清楚滾動體在進入故障和離開故障時的系統振動變化，為了更清楚的揭示這一變化規律，本節從最常用的矩形故障模型入手，在單轉子的右端引入相同的軸承外圈故障，通過計算得出轉子右端加速度的波形圖，如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，非規則故障相比于矩形凹槽，在加速度波形圖上所反映的最大的差別在于滾動體通過故障區域時的波形變化，矩形凹槽故障所表現的是一條直線，而非規則故障所表現的是一條非規則曲線，由圖可知矩形故障所顯示的雙沖擊現象非常明顯，但是與實際情況存在較大差別。下圖能夠很好地反映滾珠通過故障時轉子右端加速度的變化。

一、軸承故障周向寬度的影響

設定轉子轉速為600r/min，故障位于右端軸承外圈滾道上且故障深度h 為1mm，故障周向寬度LD分別取1mm、3mm、5mm時，外圈不同類型故障所對應的轉子右端加速度變化曲線。從圖中可以看出，滾動體進出矩形故障區域和非規則故障區域的瞬間產生了相同的振動響應，在通過故障區域時，由于故障形貌不同，因而加速度變化有所不同。不同軸承故障周向寬度所對應的加速度變化范圍存在差別，隨著軸承故障寬度的增加，滾動體在進入和離開故障的時間間隔增大，系統的雙沖擊現象會更明顯，而且可以看出滾動體離開故障前的加速度變化也在增大，說明沖擊力和沖擊能量隨著故障寬度增大而增加，滾動體對外圈的沖擊越劇烈。

圖2（a）、（b）分別為轉子右端豎直方向的平均振幅、均方根變化曲線，可以發現外圈故障時，相同故障深度情況下，非規則故障產生的沖擊振動要大于矩形故障。無論是什么類型的故障，振動加速度都是隨著故障寬度的增加而增加，對于非規則故障來說，故障寬度大小對振動的影響更大，另外在圖中可以看出，當故障超過4mm 時，振動沖擊會顯著增大。

假設故障位于右端軸承內圈滾道上且故障深度h 為1mm，圖2（a）為矩形故障周向長度LD 分別為1mm、3mm、5mm 時，轉子右端的加速度變化曲線，圖2（b）為非規則故障時對應的加速度變化。同樣，從圖（a）和（b）中可以看出，當滾動體進出故障的瞬間產生了沖擊脈沖，由于故障形貌不同。加速度變化曲線產生了較大差異。另外，隨著故障寬度的增加，滾動體在進入和離開故障的時間間隔也在增大，故障越小，產生的瞬間沖擊越大，這可能與內圈自身轉動時所處載荷區域位置不同造成的。

圖1 不同故障形貌的外圈故障及其響應

圖2 故障寬度對豎直加速度的影響（外圈）

內圈出現故障時，矩形故障計算出來的數值要高于非規則故障計算結果，隨著故障寬度增大，不同軸承故障寬度所對應的加速度變化差別較小，系統所對應的振幅基本保持不變。

二、結語

本文分別計算了系統軸承在內圈含有矩形故障和非規則故障情況下，所產生的振動響應。分析了故障的軸向寬度對于系統振動的影響，結果表明，在內圈含有故障的情況下，相同程度的矩形故障所產生的沖擊要明顯高于非規則故障，對于內圈而言故障寬度對于系統振動影響不大。