轴承外圈裂纹损伤的模态参数对比研究

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1、轴承外圈裂纹损伤的模态参数对比研究摘要轴承结构的表面损伤对其振动特性具有显著影响。以6307滚动轴承为研究对象，采用有限单元法分析了轴承外圈出现不同尺度的裂纹缺陷后，其固有特性的变化情况。其中，着重探讨了系统固有频率、位移模态以及应变模态参数对外圈损伤的敏感程度。关键词外圈裂纹模态诊断模态参数有限元ResearchonModalParameterComparisonofBearingOuterRacewithDifferentCracklengthsWangBin1，GongZhaosheng2,ZhangJianyu1，GaoLixin1,CuiLin

2、gli1,XuYonggang1(1：BeijingKeyLaboratoryofAdvancedManufacturingTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124;2：GudaoOilPlant,ShengliOilfield,DongyingShandong257231)【Abstract】Thesurfacedamageofthebearingstructurehasasignificanteffectonvibrationcharacteristics.Outerringof63

3、07rollingwasresearchedtofindtherelationshipbetweenthebearingouterring’sinherentcharacteristicsandthecrackdepthusingthefiniteelementmethod.Themodalparametersemploynaturalfrequency,modaldisplacementandstrainmodetotheextentofdamagewasresearchedemphatically.Keyword:OutercrackDiagnost

4、icanalysisinmodeModalparametersFEM引言在滚动轴承的各种失效形式中，由于早期疲劳导致的套圈断裂占有很高比重。因此，如何有效监测滚动轴承的故障走势对其状态维护非常关键。考虑到振动信号对轴承损伤的敏感性，许多学者都将振动信号分析作为轴承状态识别的必要手段。文献[1]中提出了滚动轴承不同部位发生局部损伤后的振动模型，并采用包络分析手段诊断各类故障。文献[2]则提出以故障特征倍频为基础的分析方法，建立了不同转速下故障信号的包络谱阵分析方法。文献[3]将频谱分析与软、硬解调技术做了系统对比，并得出硬件共振解调对早期故障监测更有效的结

5、论。随着信号处理技术的发展，新的诊断方法和技术不断涌现。如文献[4]将小波包与EMD结合用于滚动轴承的早期故障识别，而文献[5]则采用提升多小波实现了轴承复合故障的特征分离。可见，轴承故障诊断的研究热点多集中于特征提取的算法上，而与损伤扩展相对应的频率结构改变则较少涉及。实际上，轴承内部接触面一旦失去完整性，随着阻尼、刚度以及应力分布的改变，其整体振动特性亦将随之改变。目前，在土木结构的健康监测中，基于模态分析的损伤监测方法已经非常普遍。如高芳青和金建明等把“频率变化平方比”应用到钢桁架复杂结构中，实现了对微小损伤的检测[6]。袁明和贺国京提出了仅用部分

6、低阶模态确定结构损伤位置和程度的方法[7]。胡建荣则分析了裂纹薄板结构的裂纹大小和位置与振型、频率之间的对应关系[8]。因此，本文将针对滚动轴承的外圈裂纹缺陷，研究模态参数与裂纹尺度之间的对应关系，并获得各参数的敏感性评价，这种方法的实现不但可以降低轴承突发故障的可能性，而且也将为振动信号的特征提取提供必要的依据。1模态分析的理论基础结构振动特征方程描述为[6](1)其中，K、M分别表示结构的刚度矩阵和质量矩阵；表示正则化振型；是固有频率。当出现损伤时对振型和固有频率都将有所影响此时的振动特征方程为(2)其中、、和表示刚度矩阵、质量矩阵、振型和固有频率的

7、变化量。当滚动轴承套圈产生裂纹后，其对质量的影响可忽略不计，因此方程（2）中为零。上式展开，并忽略二阶项可得到-5–(3)对某一个振动模态i（i=1,2,3，…）有(4)设整个结构由N个单元组成，结构的总体刚度矩阵可以分解为单元刚度矩阵，单元的变形可由结构的阵型计算求出，即(5)其中，是m单元的变形，所以得到(6)(7)则(4)可写为(8)由此可见，只有损伤在某一阶阵型中占有较高的势能时才对该阶频率产生较大的影响；反过来，由于结构的振型是不同的，这也预示着某阶振型对于某个部位的裂纹有较高的灵敏性而对其他位置的损伤灵敏性较低Error!References

8、ourcenotfound.。位移频率响应函数为(9)应变频率响应函数为(10)