郭寶良, 趙玉秀, 史麗晨, 李 玲, 段志善

(1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,西安 710055;2. 西安思源學(xué)院 圖書館,西安 710038)

滾動(dòng)軸承在各類機(jī)械中應(yīng)用廣泛,是最常見、最重要的部件之一,故對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷是非常必要的。滾動(dòng)軸承故障診斷研究主要集中在兩個(gè)方面:①信號(hào)處理領(lǐng)域,即從滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)信號(hào)中提取故障特征及頻率的信號(hào)處理方法,如深度學(xué)習(xí)、最大類間方差、變分模態(tài)分解等[1-5],此方面成果眾多;②對(duì)于滾動(dòng)軸承故障信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理的研究,如用脈沖序列模擬滾動(dòng)體通過局部損傷故障而產(chǎn)生沖擊振動(dòng)響應(yīng)[6-7],及滾動(dòng)體通過局部損傷故障時(shí)所釋放的接觸變形作為位移激勵(lì)而產(chǎn)生沖擊振動(dòng)響應(yīng)[8-11],此方面成果相對(duì)較少。這些故障診斷方法和故障模型主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械滾動(dòng)軸承的故障,并取得了一致性的診斷結(jié)論。

慣性式振動(dòng)機(jī)械是應(yīng)用廣泛的一類非旋轉(zhuǎn)機(jī)械,其由激振器、工作機(jī)體和隔振彈簧組成,如圖1所示。其工作原理為:激振器的旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)其上的偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性變化的激振力,驅(qū)動(dòng)工作機(jī)體產(chǎn)生持續(xù)的周期性振動(dòng),隔振彈簧的主要作用是支承工作機(jī)體并減小傳給基礎(chǔ)的動(dòng)載荷[12]。

圖1 直線振動(dòng)機(jī)械工作原理圖Fig.1 The work principle diagram of linear vibrating machines

慣性式振動(dòng)機(jī)械工作原理和滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)及受力情況與旋轉(zhuǎn)機(jī)械差異顯著,致使基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械滾動(dòng)軸承故障模型的研究成果不能直接用于慣性式振動(dòng)機(jī)械的滾動(dòng)軸承故障診斷中。

在慣性式振動(dòng)機(jī)械中雙軸和單軸慣性振動(dòng)機(jī)械應(yīng)用廣泛,如直線振動(dòng)篩、圓振篩等。文獻(xiàn)[13]對(duì)單軸慣性振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承內(nèi)、外環(huán)點(diǎn)蝕故障機(jī)理進(jìn)行了研究并給出了判別依據(jù)。但單、雙軸慣性振動(dòng)機(jī)械的工作原理和滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)仍然存在顯著的差異,故單軸的研究結(jié)果仍無法直接用于雙軸慣性振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承故障診斷。

本文通過對(duì)雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)和載荷分布的詳細(xì)分析,建立系統(tǒng)的沖擊振動(dòng)模型,與單軸慣性振動(dòng)機(jī)械和旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)滾動(dòng)軸承局部損傷故障包絡(luò)譜的特點(diǎn),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,研究中均針對(duì)單一局部損傷故障。

1 建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 滾動(dòng)軸承系統(tǒng)振動(dòng)模型

當(dāng)雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械工作時(shí),兩根旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)偏心質(zhì)量塊反向等速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生直線方向上的激振力的合力,從而驅(qū)動(dòng)工作機(jī)體在振動(dòng)方向上產(chǎn)生直線周期性振動(dòng),如圖1所示。圖1中:O1和O2分別為兩根旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)中心(滾動(dòng)軸承的安裝位置);m0為旋轉(zhuǎn)軸上的偏心塊質(zhì)量;ω為旋轉(zhuǎn)軸的圓頻率;F為單根軸上的激振力。振動(dòng)方向即激振力的合力方向,垂直于兩旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的連線O1O2。

假設(shè)在運(yùn)行過程中滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外環(huán)滾道與滾動(dòng)體之間無相對(duì)滑動(dòng),內(nèi)環(huán)固定安裝在旋轉(zhuǎn)軸上并隨著旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn),外環(huán)固定在軸承座內(nèi)并隨工作機(jī)體一起振動(dòng)。

以O(shè)1或O2的靜平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn),以振動(dòng)方向?yàn)樽鴺?biāo)軸并取向上為正方向,激振力平移到O1或O2,將雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩自由度的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng),如圖2所示。圖2中:k1為軸承等效剛度;c1為軸承等效阻尼;m為軸系質(zhì)量;k2為隔振彈簧在振動(dòng)方向上的剛度;c2為阻尼元件在振動(dòng)方向上的阻尼;M為工作機(jī)體質(zhì)量;x1為軸系和內(nèi)環(huán)的坐標(biāo);x2為外環(huán)和工作機(jī)體的坐標(biāo)。

圖2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)模型Fig.2 Th evibration model of the rolling bearing

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程

(1)

1.2 滾動(dòng)軸承受力分析

雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中軸承所受載荷情況,如圖3所示。測(cè)量傳感器布置在坐標(biāo)軸正方向上。圖3中:Fr為總徑向載荷;F0為兩軸激振力F的合力;β0為測(cè)量傳感器與局部損傷故障點(diǎn)的初始夾角;θ為Fr與坐標(biāo)軸正方向的夾角;βL為載荷分布區(qū)單側(cè)角度;γ為軸系重力mg與坐標(biāo)軸負(fù)方向夾角。

圖3 滾動(dòng)軸承工作狀態(tài)示意圖Fig.3 The work status diagram of rolling bearing

將各力分解至坐標(biāo)軸x和與x垂直的兩個(gè)方向上,有以下各式成立

(2)

式中,r為偏心距。

(3)

由式(3)可知,θ的變化范圍為

(4)

載荷分布區(qū)與軸承滾動(dòng)體通過局部損傷故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊脈沖的分布特點(diǎn)緊密相關(guān),故首先確定載荷分布函數(shù)。

根據(jù)Hertz接觸理論,滾動(dòng)軸承的單個(gè)滾動(dòng)體和內(nèi)、外環(huán)滾道之間的接觸變形δ與滾動(dòng)體載荷Q的關(guān)系[14]

(5)

式中,K為接觸剛度系數(shù)。

(6)

式中,Ki,Ko分別為滾動(dòng)體與內(nèi)環(huán)和外環(huán)的接觸剛度系數(shù),具體計(jì)算請(qǐng)參考Harris等的研究。

為了滿足與徑向載荷Fr的靜力平衡關(guān)系,Fr必須等于各滾動(dòng)體載荷的分量之和

Fr=ZQmaxJr(ε)

(7)

式中:Z為滾動(dòng)體的個(gè)數(shù);Qmax為載荷分布區(qū)中滾動(dòng)體載荷的最大幅值;Jr(ε)為載荷分布積分。

(8)

式中:β為滾動(dòng)體在載荷分布區(qū)中的角度(方位角);ε為載荷分布系數(shù)。

(9)

式中,Pd為徑向游隙。

載荷分布區(qū)的角度范圍為

(10)

由式(5)和式(7)可知

(11)

載荷分布函數(shù)Q(β)為

(12)

在單位載荷下,滾動(dòng)體通過局部損傷故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊力可近似為周期為Td、寬度為Tv的等幅矩形脈沖序列d(t),d(t)可表示為

(13)

式中: 序列周期Td與故障點(diǎn)的位置有關(guān),是故障特征頻率的倒數(shù);Tv為滾動(dòng)體通過故障所用的時(shí)間;A為脈沖幅值。

滾動(dòng)體通過局部損傷故障所產(chǎn)生的脈沖力為

(14)

式中:Fi,w為滾動(dòng)體通過內(nèi)環(huán)故障、外環(huán)故障時(shí)產(chǎn)生的脈沖力; 對(duì)外環(huán)β=β0+θ; 對(duì)內(nèi)環(huán)β=β0+θ+ωt。

綜上所述,對(duì)于內(nèi)環(huán)局部損傷情況

∑F=Frcosθ+Ficos(ωt+β0)

(15)

對(duì)于外環(huán)局部損傷情況

∑F=Frcosθ+Fwcosβ0

(16)

單軸、雙軸慣性振動(dòng)機(jī)械、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的徑向力Fr(t)的幅值存在顯著差異,如圖4所示。由式(7)可知,幅值Qmax與徑向力Fr(t)的幅值成正比且方向相同,變化趨勢(shì)也一致。由式(10)和式(11)可知,載荷分布區(qū)范圍βL與Fr(t)的幅值相關(guān)。三類設(shè)備載荷分布區(qū)范圍βL的變化如圖5所示。

圖4 徑向力幅值變化曲線Fig.4 Amplitude variation curve of radial force

圖5 載荷分布區(qū)范圍變化曲線Fig.5 Range variation curve of load distribution area

對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械,徑向載荷Fr等于軸系重力mg,其大小和方向均固定不變,其載荷分布區(qū)的范圍βL、幅值Qmax和方向也是不變的。

對(duì)于單軸慣性振動(dòng)機(jī)械,徑向載荷Fr是軸系重力mg和激振力F的矢量和,一般情況下F?mg,所以隨著軸的旋轉(zhuǎn),Fr的幅值有較小的周期性變化且方向呈360 °周期性變化,所以其載荷分布區(qū)隨軸旋轉(zhuǎn)且范圍βL和幅值Qmax有較小變化。

對(duì)雙軸慣性振動(dòng)機(jī)械,徑向載荷Fr是軸系重力mg和兩軸激振力F的矢量和,且方向隨著軸的旋轉(zhuǎn)而周期性變化(見圖3)。由圖4可知,Fr幅值變化劇烈,由式(4)可知Fr的方向θ變化小于180°,這與單軸慣性振動(dòng)機(jī)械顯著不同,所以其載荷分布區(qū)的范圍βL、幅值Qmax均變化劇烈且旋轉(zhuǎn)角度小于180°。其滾動(dòng)軸承外環(huán)雖然隨著工作機(jī)體一起運(yùn)動(dòng),外環(huán)故障位置不發(fā)生變化,但由于載荷分布區(qū)的旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致故障位置與載荷分布區(qū)的相對(duì)位置仍然隨著軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期性變化;內(nèi)環(huán)故障與載荷分布區(qū)的相對(duì)位置隨著軸的旋轉(zhuǎn)和載荷分布區(qū)的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期性變化。這種周期性變化使得滾動(dòng)體通過局部損傷故障而產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)的幅值會(huì)受到調(diào)制作用。

1.3 簡(jiǎn)化并求解系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程

令

x1=x2+Δx

(17)

式中,Δx為M與m之間的相對(duì)位移

因k1?k2,所以x2?Δx,故求解x2時(shí)將m和M視為一起振動(dòng)。脈沖沖量能量有限,持續(xù)時(shí)間短,只能引起軸承內(nèi)、外環(huán)體頻率為ωd的高頻固有衰減振動(dòng),頻率ωd遠(yuǎn)大于激振力頻率ω。故對(duì)軸承內(nèi)、外環(huán)體的高頻衰減振動(dòng)來說,工作機(jī)體在激振力作用下的振動(dòng)是緩變信號(hào),在很短的時(shí)間內(nèi)可視為靜態(tài)信號(hào)。

通過上述分析,在軸承徑向間隙為零時(shí)可將局部損傷故障的振動(dòng)模型簡(jiǎn)化為

(18)

式中,mz為軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)的質(zhì)量。

式(18)的穩(wěn)態(tài)解為

(19)

式中,g(t)為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)。

(20)

式中,ωn,ωd為軸承內(nèi)環(huán)或外環(huán)無阻尼、有阻尼的固有振動(dòng)頻率。

2 試驗(yàn)及仿真研究

2.1 滾動(dòng)軸承內(nèi)、外環(huán)故障特征頻率

(21)

(22)

式中:D為軸承節(jié)徑;d為滾動(dòng)體直徑;α為接觸角;fs為軸旋轉(zhuǎn)頻率;fi為內(nèi)環(huán)故障特征頻率;fo為外環(huán)故障特征頻率。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)包括:SDM00型雙軸雙電機(jī)直線振動(dòng)篩、DEWETRON公司數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DEWE-51-PCI-16、傳感器為Kistler公司的加速度傳感器8704B25,如圖6所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)械采用美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Testing system

振動(dòng)篩電機(jī)型號(hào)為Y90S-6,同步轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,即16.67 Hz,滾動(dòng)軸承的型號(hào)是1308,雙列,每列滾動(dòng)體15個(gè),理論計(jì)算外環(huán)故障特征頻率為104.18 Hz,內(nèi)環(huán)故障特征頻率為145.82 Hz。外環(huán)劃痕故障的尺寸(寬×深×長(zhǎng)度×角度)=0.8×0.2×軸承寬度×45°;內(nèi)環(huán)局部損傷故障的尺寸(寬×深×長(zhǎng)度)=0.5×0.2×單滾道,如圖6所示。

由于軸承的制造、安裝和電機(jī)轉(zhuǎn)速變化等原因會(huì)造成實(shí)際軸承故障特征頻率與計(jì)算故障特征頻率有偏差。

試驗(yàn)項(xiàng)目:包括旋轉(zhuǎn)機(jī)械、單軸和雙軸振動(dòng)篩的內(nèi)環(huán)、外環(huán)單點(diǎn)局部損傷故障的時(shí)域波形和故障特征頻譜的比較,并與理論模型仿真結(jié)果對(duì)比分析,數(shù)據(jù)分析診斷流程如圖7所示。

圖7 滾動(dòng)軸承故障診斷流程圖Fig.7 Flow chart of rolling bearing fault diagnosis

2.3 內(nèi)環(huán)局部損傷故障仿真與試驗(yàn)

直線振動(dòng)篩內(nèi)環(huán)局部損傷故障仿真結(jié)果如圖8所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖8(a)和圖9(a)可知,相鄰兩個(gè)脈沖響應(yīng)幅值間隔為1/fi,且幅值變化劇烈,存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象。由圖8(b)和圖9(b)可知,故障特征頻率fi及其倍頻兩側(cè)分布著幅值顯著的邊頻頻率。故障特征頻率分別是145.00 Hz,290.10 Hz,435.10 Hz等,邊頻頻率如:95.27 Hz,111.90 Hz,128.50 Hz,161.60 Hz,178.20 Hz,194.70 Hz是145.00 Hz的邊頻,223.70 Hz,256.90 Hz,273.50 Hz,306.06 Hz,323.20 Hz,356.30 Hz是頻率290.10 Hz的邊頻等;低頻區(qū)中存在幅值顯著的軸旋轉(zhuǎn)頻率fs及其倍頻,如:16.59 Hz,33.14 Hz,49.73 Hz,是調(diào)制頻率。

圖8 直線振動(dòng)篩滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障仿真Fig.8 The local damage fault simulation of inner ring in linear vibrating screen’s rolling bearing

圖9 直線振動(dòng)篩滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)Fig.8 The local damage fault test of inner ring in linear vibrating screen’s rolling bearing

用位移激勵(lì)模型和沖擊振動(dòng)模型進(jìn)行了仿真,如圖8所示。與圖9相比較可知,兩種模型都可以進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷,但位移激勵(lì)模型的時(shí)域和頻域的幅值偏大,沖擊振動(dòng)模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更接近。

圓振篩滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。圖10(a)表明,相鄰兩個(gè)脈沖響應(yīng)幅值間隔為1/fi,且整體幅值變化不大。圖10(b)中顯著的故障特征頻率fi及其倍頻分別是145.30 Hz,290.70 Hz,436.10 Hz等,且故障特征頻率及其倍頻兩側(cè)分布著幅值較小的邊頻頻率,如:112.20 Hz,162.00 Hz,178.60 Hz是145.30 Hz的邊頻,419.50 Hz,452.70 Hz是436.10 Hz的邊頻等;低頻區(qū)中的16.59 Hz是軸的旋轉(zhuǎn)頻率fs,幅值很小,是調(diào)制頻率。故此種情況下,脈沖響應(yīng)幅值存在輕微的調(diào)制現(xiàn)象。

圖10 圓振篩滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)Fig.10 The inner ring local damage fault test of circular vibrating screen’s rolling bearing

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11(a)可知,相鄰兩個(gè)脈沖響應(yīng)幅值間隔為1/fi,且幅值變化劇烈。圖11(b)中故障特征頻率fi及其倍頻分別是157.30 Hz,314.60 Hz,471.90 Hz,且故障特征頻率及其倍頻兩側(cè)分布著幅值明顯的邊頻頻率,如:99.06 Hz,128.20 Hz,215.50 Hz是故障特征頻率157.30 Hz的邊頻,256.30 Hz,285.50 Hz,343.70 Hz,372.80 Hz是故障特征頻率314.60 Hz的邊頻等;低頻區(qū)中的29.11 Hz,58.23 Hz是軸的旋轉(zhuǎn)頻率fs及其倍頻,是調(diào)制頻率。故此種情況下,脈沖響應(yīng)幅值存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象。

圖11 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)Fig.11 The inner ring local damage fault test of the rotor test station

由圖9與圖10相較可知,直線振動(dòng)篩滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障情況下,時(shí)域故障脈沖響應(yīng)幅值存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象,包絡(luò)譜中邊頻顯著。而圓振篩時(shí)域幅值僅輕微調(diào)制,包絡(luò)譜中邊頻很小。二者差異顯著。

由圖9與圖11相較可知,直線振動(dòng)篩與轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)在滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障情況下的包絡(luò)譜有很大的相似性,故障包絡(luò)譜中均存在幅值較大的內(nèi)環(huán)故障特征頻率、邊頻頻率和調(diào)制頻率,但因二者工作原理的差異,致其故障機(jī)理卻有本質(zhì)的區(qū)別,時(shí)域波形差異顯著。

2.4 外環(huán)局部損傷故障仿真與試驗(yàn)

直線振動(dòng)篩外環(huán)局部損傷故障仿真結(jié)果,如圖12所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖12(a)和圖13(a)可知,相鄰兩個(gè)脈沖響應(yīng)幅值間隔為1/fo,且幅值變化劇烈。由圖12(b)和圖13(b)可知:低頻區(qū)中存在幅值顯著的軸旋轉(zhuǎn)頻率fs及其倍頻;故障特征頻率fo及其倍頻兩側(cè)分布著幅值顯著的邊頻頻率。故障特征頻率fo及其倍頻分別是103.90 Hz,207.70 Hz,311.50 Hz等,70.67 Hz,87.26 Hz,120.40 Hz是故障特征頻率103.90 Hz的邊頻,191.10 Hz,224.30 Hz,240.90 Hz是故障特征頻率207.70 Hz的邊頻,294.90 Hz,328.10 Hz,344.70 Hz是故障特征頻率311.50 Hz的邊頻等;低頻區(qū)中的16.59 Hz,33.19 Hz是軸的旋轉(zhuǎn)頻率fs和二倍頻,是調(diào)制頻率。故此種情況下,脈沖響應(yīng)幅值存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象。

圖12 直線振動(dòng)篩滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障仿真Fig.12 The simulation of outer ring local damage fault in linear vibrating screen’s rolling bearing

圖13 直線振動(dòng)篩滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)Fig.13 The outer ring local damage fault test of linear vibrating screen’s rolling bearing

用位移激勵(lì)模型和沖擊振動(dòng)模型進(jìn)行了仿真,如圖12所示。與圖13相較可知,兩種模型都可以進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷,但位移激勵(lì)模型的時(shí)域和頻域的幅值偏大,沖擊振動(dòng)模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更接近。

圓振篩滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)結(jié)果,如圖14所示。由圖14(a)可知,相鄰兩個(gè)脈沖響應(yīng)幅值間隔為1/fo,且幅值變化劇烈。圖14(b)故障特征頻率fo及其倍頻分別是103.90 Hz,207.80 Hz,311.70 Hz等,且故障特征頻率fo及其倍頻兩側(cè)分布著幅值顯著的邊頻頻率,如:70.67 Hz,87.26 Hz,120.50 Hz,137.20 Hz是故障特征頻率103.90 Hz的邊頻,174.60 Hz,191.20 Hz,224.40 Hz,241.10 Hz是故障特征頻率207.80 Hz的邊頻等;低頻區(qū)中的16.64 Hz,33.24 Hz,49.88 Hz是軸的旋轉(zhuǎn)頻率fs及其倍頻,是調(diào)制頻率。故此種情況下,脈沖響應(yīng)幅值存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象。

圖14 圓振篩滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)Fig.14 The outer ring local damage fault test of circular vibrating screen’s rolling bearing

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)結(jié)果,如圖15所示。由圖15(a)可知,相鄰兩個(gè)脈沖響應(yīng)幅值間隔為1/fo,且整體幅值變化很小。由圖15(b)可知:故障特征頻率fo及其倍頻分別為104.90 Hz,209.80 Hz,314.80 Hz等,且故障特征頻率fo及其倍頻兩側(cè)幾乎沒有邊頻頻率;低頻區(qū)中的29.11 Hz為軸的旋轉(zhuǎn)頻率fs。故此種情況下,脈沖響應(yīng)幅值幾乎沒有調(diào)制現(xiàn)象。

圖15 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障試驗(yàn)Fig.15 The outer ring local damage faulttest of the rotor test station‘s rolling bearing

由圖13與圖14相較可知,直線振動(dòng)篩與圓振篩在滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障情況下的系統(tǒng)響應(yīng)的包絡(luò)譜有很大的相似性,故障包絡(luò)譜中均存在幅值較大的外環(huán)故障特征頻率、邊頻頻率和調(diào)制頻率,但二者軸承的受力情況和載荷分布區(qū)差異顯著,致其故障機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別。由圖15可知,轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的故障包絡(luò)譜幾乎沒有邊頻,與二者差異顯著。

綜上所述,直線振動(dòng)篩滾動(dòng)軸承的徑向力的方向在近180°范圍、幅值隨軸的旋轉(zhuǎn)而周期性變化;內(nèi)、外環(huán)故障的時(shí)域波形和包絡(luò)譜都清晰表明了脈沖響應(yīng)幅值存在顯著調(diào)制現(xiàn)象,其主要原因是故障點(diǎn)與載荷分布區(qū)相對(duì)位置隨著軸的旋轉(zhuǎn)而不斷變化,且載荷分布區(qū)本身也隨著軸的旋轉(zhuǎn)而不斷變化。

3 結(jié) 論

(1) 通過分析雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)和載荷分布情況,基于Hertz接觸理論建立雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承內(nèi)、外環(huán)局部損傷故障的沖擊振動(dòng)模型,該模型能夠正確描述雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外環(huán)的局部損傷故障。

(2) 當(dāng)雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障,脈沖響應(yīng)振幅調(diào)制顯著,其故障包絡(luò)譜有幅值較大的故障頻率、邊頻頻率和調(diào)制頻率。雖然與單軸慣性振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障的包絡(luò)譜有一定的相似性,但受力不同而致其故障機(jī)理卻有本質(zhì)的區(qū)別,二者均顯著區(qū)別于旋轉(zhuǎn)機(jī)械滾動(dòng)軸承外環(huán)局部損傷故障的包絡(luò)譜。

(3) 當(dāng)雙軸慣性直線振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障,脈沖響應(yīng)振幅調(diào)制顯著,其故障包絡(luò)譜有幅值較大的故障頻率、邊頻頻率和調(diào)制頻率。與單軸慣性振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)局部損傷故障的包絡(luò)譜有顯著差別;雖然與旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)環(huán)局部損傷故障的包絡(luò)譜有很大的相似性,但二者工作原理的差異致其故障機(jī)理卻有本質(zhì)的區(qū)別。