裝甲車變速箱滾動軸承故障仿真分析

宋一龍，高 鑫，王智勇，林 董

(中國人民解放軍陸軍步兵學院 石家莊校區，河北 石家莊 050000)

0 引 言

由于工況的復雜及惡劣性,裝甲車變速箱故障時有發生，軸承故障在變速箱所有故障類型中占到約19%，掌握軸承故障特性及時發現軸承故障是保證裝甲車平穩運行的關鍵[1-3]。

F. Bogard等[4]建立了軸承-軸承座有限元模型，從實驗、仿真的角度對振動測點進行了優化。Kiral[5]提出了一種利用有限元仿真軸承外圈故障在不同載荷條件下的振動響應的模型，計算了非平衡載荷下軸承滾動體對外圈的沖擊載荷。An Sung Lee等[6]利用有限元法研究了轉子軸承系統在沖擊載荷下的響應情況。張剛等[7]綜合考慮軸承的徑向載荷和轉速的影響，應用ANSYS/LS-DYNA對滾動軸承在特定工況下進行顯式動力學仿真與分析，得出了軸承的動態響應。Sarabjeet Singh等人[8]通過LS-DYNA仿真分析了軸承滾動體和滾道之間的接觸力和故障軸承的振動響應，并且仿真了滾動體進入缺陷和離開缺陷時滾動體和滾道之間接觸力的變化特征。鄧四二[9]以ADAMS為平臺，對高速圓柱滾子軸承進行了分析，研究了不同保持架引導方式下高速圓柱滾子軸承保持架動態響應的影響規律。合肥工業大學的關猛[10]通過ADAMS軟件仿真驗證了高速鐵路軸承各部件間接觸力的大小。

現有研究對軸承的故障機理、特性等較為深入，但涉及故障定量分析的研究涉及較少，本研究建立基于ADAMS的軸承剛柔耦合動力學模型，對軸承外圈故障進行定量仿真分析。

1 軸承雙沖擊理論

當軸承外圈產生故障時，不同尺寸的故障大小所產生的振動響應是不同的，當故障尺寸很小時，軸承的故障振動響應信號表現為單沖擊，隨著故障尺寸的增大，當故障尺寸達到一定程度時，當滾動體進入故障時會產生第一次沖擊，如圖1所示。

圖1 滾動體進入缺陷示意圖

當滾動體離開故障時產生第二次沖擊，這時軸承的故障響應信號表現為雙沖擊，滾動體離開缺陷示意圖如圖2所示。

圖2 滾動體離開缺陷示意圖

不同尺寸故障所產生的振動響應的不同主要體現在對應的時域信號雙沖擊時間間隔的不同。兩次沖擊的時間間隔是與故障尺寸的寬度大小有關的。雙沖擊的時間可以由下式確定：

(1)

式中：De—外圈滾道直徑，可以表示為：

De=Dpw+Dw

(2)

(3)

式中：fc—保持架的故障頻率。

對于深溝球軸承接觸角α=0，所以：

(4)

所以：

(5)

由上式看出雙沖擊的時間t與故障寬度成正比，所以可以根據雙沖擊的時間得到故障的大小，從而實現對軸承故障大小進行定量診斷。

2 基于ADAMS的滾動軸承動力學仿真

2.1 基于Solidworks的滾動軸承三維實體建模

本研究在Solidworks軟件中創建4種不同故障寬度的軸承外圈以及正常的內圈，保持架和滾動體的三維模型。

外圈故障寬度0.5 mm示意圖如圖3所示。

圖3 外圈故障寬度0.5 mm示意圖

本研究將軸承外圈故障尺寸大小設置為0.5 mm，2 mm，3.5 mm和5 mm建立4種不同外圈故障大小的故障軸承模型。

本研究將含有不同尺寸的外圈故障軸承導入ADAMS中，然后將不同尺寸的故障外圈在ANSYS中分別進行柔性化，用生成的柔性體外圈替換剛性體外圈，得到含有外圈故障的剛柔耦合模型，如圖4所示。

圖4 外圈故障剛柔耦合模型

2.2 仿真分析

本研究利用ADAMS自帶的差值的功能對軸承外圈的加速度時域信號圖進行插值，然后將插值后的數據導入到Matlab中進行分析，利用Matlab得出的不同大小故障下所對應的軸承外圈頻譜圖，包絡圖及其時域局部放大圖如圖(5～8)所示。

圖5 0.5mm外圈故障振動響應信號

圖6 2 mm外圈故障振動響應信號

通過圖(5～8)的時域圖可以看到周期性的沖擊現象。在包絡解調譜中除了非常明顯的外圈故障特征頻率76.88 Hz外，而且存在明顯的倍頻成分。當外圈故障尺寸為0.5 mm時，通過時域放大圖，軸承的故障脈沖響應表現為單沖擊，隨著故障尺寸的增大，即產生雙沖擊，兩個脈沖之間的時間間隔是與故障的寬度大小相關的，雙沖擊的時間與故障的寬度尺寸成正比，從而可以通過故障軸承的時域信號圖中的雙沖擊的時間間隔和軸承的尺寸參數實現軸承故障的診斷。

圖7 3.5mm外圈故障振動響應信號

圖8 5 mm外圈故障振動響應信號

2.3 實驗驗證

為了驗證軸承外圈故障定量仿真結果的有效性，本研究通過電火花加工的方式加工外圈故障大小分別為0.5 mm，2 mm，3.5 mm以及5 mm的矩形故障，然后分別與正常的保持架，滾動體以及內圈裝配成4種不同外圈故障大小的軸承，得到4組不同外圈故障大小的加速度振動響應信號，頻譜圖、包絡圖以及時域局部放大圖如圖(9～12)所示。

圖9 0.5 mm外圈故障振動響應實驗信號

圖10 2 mm外圈故障振動響應實驗信號

圖11 3.5 mm外圈故障振動響應實驗信號

圖12 5mm外圈故障振動響應實驗信號

通過對不同故障大小的軸承外圈進行實驗可以看出，仿真結果與實驗結果基本相符，當故障為0.5 mm時，振動響應信號的時域圖主要表現為單沖擊，不存在雙沖擊的現象，隨著故障尺寸的增大，當故障大小為2 mm，3.5 mm和5 mm時，振動響應信號中可以看到雙沖擊現象的存在，并且在每種不同故障大小的時域放大圖中均能找到相對應的雙沖擊的時間間隔，時間間隔與理論計算值及其仿真結果是十分吻合的，從而驗證了仿真結果的有效性。

3 結束語

根據裝甲車變速箱軸承實際參數，本研究建立了基于ADAMS的軸承剛柔耦合動力學模型，對雙沖擊理論進行了簡要概述，并對4種不同尺寸的軸承外圈故障進行了仿真，通過故障軸承的振動響應信號得出當故障寬度為2 mm，3.5 mm以及5 mm時，故障軸承的時域信號中存在雙沖擊現象，根據時域信號中雙沖擊的時間間隔就可以得到所對應的軸承外圈故障寬度的大小，實現了軸承外圈故障的準確診斷。

該方法為提高軸承故障診斷準確率，預測軸承運行壽命提供了幫助。

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