軸承故障建模與分析

李 棟 王建康

(常州信息職業技術學院 智能裝備學院，江蘇 常州213164）

0 引言

滾動軸承作為重要的工業基礎件，是各種機械中傳遞運動和承受載荷的重要支承零件，各類主機的工作精度、性能、壽命、可靠性和各項經濟指標，都與軸承有著密切的關系。軸承是工業生產中廣泛使用的零部件之一，在大多數煤礦機械中起著重要的作用，與此同時，軸承也是最易損耗的零件之一。在對齒輪箱的故障原因調查時發現，軸承故障發生率僅次于齒輪，占總故障的19%；在電機的常見故障中，由軸承損壞所引起的故障更是占到了一半以上。軸承運行狀態的好壞對于設備的工作狀態影響巨大，尤其是對礦用設備來說，絕大多數都是大型重型設備，一旦設備發生故障，輕則會降低生產影響效益，嚴重的話則會造成人員傷亡等重大事故[1]。

對軸承進行故障檢測與診斷是國內外專家學者長期研究的一個課題，工業上主要采用的方法有：對軸承內部油脂的溫度進行檢測；對潤滑油中的微粒進行分析；聲發射檢測法以及振動監測法。滾動軸承為周期性旋轉機械，正常運轉時各個部件都有它固定的特征頻率，當其中的某個部件發生故障時，這個故障零件所產生的故障頻率就會得到增強，因而對傳感器采集到的振動信號進行快速傅里葉變換進而得到特征頻率值，并與計算得到的故障特征頻率相比較，依此來判斷該部件是否發生故障[2]。

目前針對軸承單一故障的診斷研究較為廣泛，但多處故障耦合的情況研究較少，特別是實驗研究中建立多故障耦合實驗模型并分析的難度較大。采用虛擬樣機技術可以解決這一問題，可以在計算機中建立軸承的三維模型并且可以任意添加故障并進行分析，為分析多故障耦合的軸承提供故障樣本支持[3]。

1 軸承三維建模

軸承的虛擬樣機模擬仿真主要分為兩個階段，第一個階段為軸承模型的建立，正確地建立模型對于后續的模擬仿真起著基礎性的作用。本次軸承的建模在三維建模軟件SolidWorks中完成。

本研究以常用的SKF系列下單列深溝球軸承SKF-6205軸承為例進行建模，其質量為0.128 kg，其具體幾何參數如表1所示。

表1 SKF-6205軸承幾何參數

根據具體的幾何尺寸建立的軸承各部分模型并完成最終的裝配如圖2所示。

圖2 軸承裝配模型

2 軸承故障添加

軸承常見的失效形式包括疲勞點蝕、塑性變形、斷裂和磨損[4]。本文主要對以下幾種情況為例進行故障添加。

2.1 點蝕

當軸承在受力不均勻時，滾動體的內外圈之前產生的循環變化的接觸應力，從而使軸承工作一段時間后工作表面出現疲勞點蝕現象。點蝕后的軸承有一定的阻力，影響軸承的運轉，會消耗一部分機械能，如果用點蝕的軸承長時間運轉還會造成軸承的摩擦發熱，使軸承膨脹系數加大，膨脹后的軸承因為膨脹系數不同還會造成圓形的滾動體最后變形成不規則的滾動體。所以點蝕后的軸承會影響一定的傳動、影響軸承運動磨損、提高了摩擦阻力，還會因較小的碰撞而產生高頻率的小聲音，使用壽命會大大縮短。

圖3與圖4為點蝕模型和點蝕裝配體模型。

圖3 點蝕模型

圖4 點蝕裝配體模型

2.2 內圈裂紋

軸承內圈裂紋會造成較嚴重的后果，可能在初期沒有發現有什么問題，但當遇到的振動量足夠時，會將軸承原先的小裂紋在振動的作用下慢慢變大，當軸承內部出現裂紋足夠時，潤滑油會從軸承裂紋處流出，而且隨著軸承的使用裂紋會越來越大，因為軸承采用的是過盈配合，軸承內圈的孔本就比與之配合的軸的尺寸小，在軸給的膨脹力的作用和機器運行所產生的各種不利情況（如振動、過載等）加劇了軸承的損害。軸承內圈裂紋不斷加大，期間還會給滾動體造成一定影響，在與滾動體配合時滾動體會被點蝕，或者直接將滾動體壓裂。還會在工作中產生振動，影響機器的正常平穩工作，振動還會產生一定的噪聲。當軸承內圈徹底斷裂后，軸承與軸之間的配合就沒有了摩擦，也失去了軸向的固定，這將影響整個機器的正常運行。圖5與圖6為軸承內圈裂紋模型和軸承內圈裂紋裝配體模型。

圖5 軸承內圈裂紋模型

圖6 軸承內圈裂紋裝配體模型

2.3 外圈裂紋

軸承外圈一般很少出現裂紋，因為軸承外圈與孔配合，且多采用過盈配合，即使軸承外圈如果出現了裂紋，也很難第一時間知道，大多都是在軸承被拆卸后發現軸承裂紋。故軸承外圈出現裂紋影響也不是特別大，如果裂紋比較明顯會漏些潤滑油。圖7與圖8為軸承外圈裂紋模型和軸承外圈裂紋裝配體模型。

圖8 軸承外圈裂紋裝配體模型

3 故障仿真分析

SKF系列下的單列深溝球軸承，在靜態下可以承受7.8kN的基本額定負荷，在動態下可以承受14.8kN的基本額定負荷。當不考慮離心力影響時，可近似認為同一個滾動體與內圈和外圈相互作用時，所受載荷是一致的。軸承載荷分布如圖9所示，定義滾動體中心和軸承中心連線與徑向負載之間的夾角為滾動體的位置角，且令順時針為正方向。由于深溝球軸承主要承受徑向載荷，軸向受力較小，所以為了簡化分析，忽略球軸承軸向受力。

圖9 深溝球軸承載荷分布圖

建立軸承三維模型并添加故障以后，可對故障模型進行仿真分析，得到用于判別軸承是否存在損傷的典型特征，分析流程如圖10所示[5]。

圖1 軟件界面

圖10 分析過程

在仿真軟件中進行故障軸承的模擬分析，在圖11中A點處設置為監測點，調整軸承運行參數為實際運行轉速[6]。

圖11 軸承監測位置示意圖

采集得到的A點處振動信號如圖12所示，此為外圈裂紋故障下軸承運轉時的仿真振動信號。

圖12 A點振動信號示意圖

4 結語

本文通過三維建模軟件建立了軸承的三維模型，并添加典型故障后對其進行仿真分析，得到相應的故障特征數據，為工程上進一步進行軸承故障診斷提供了支持。具體工作如下：

（1）采用SolidWorks軟件對深溝球軸承的零部件及裝配體進行建模，包括內圈、外圈、滾動體和保持架等關鍵部分。所建立的模型將為后續的故障添加及仿真分析提供基礎。

（2）對建立的三維模型進行典型故障的添加。根據軸承的常見的失效形式，對關鍵部位添加裂紋、點蝕故障，并對添加裂紋后的模型完成裝配。

（3）對添加故障的SKF-6205軸承進行仿真分析，得到故障狀態下的振動信號，從而為故障監測提供評判依據。