基于ANSYS的深溝球軸承模態(tài)分析

李會(huì)蘭 萬(wàn)云

摘要：旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)故障問(wèn)題出現(xiàn)次數(shù)越來(lái)越頻繁，其中大部分故障是由軸承故障引起的，其中滾動(dòng)軸承故障引起的旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)故障最為常見(jiàn)。故本文以6205-2RS深溝球軸承為研究對(duì)象，運(yùn)用CATIA三維軟件建立深溝球軸承的三維模型，通過(guò)有限元ANSYS分析軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，利用ANSYS分析深溝球軸承模態(tài)得到其前六階固有頻率，以及各階頻率下軸承的變形量。分析結(jié)果表明，軸承在正常工況下，隨著加載頻率增大，變形幅度增大，在軸承固有頻率附近達(dá)到最大變形，軸承內(nèi)圈的故障振動(dòng)頻率與軸承內(nèi)圈的正常振動(dòng)頻率相比，會(huì)在幅頻特性曲線(xiàn)圖中出現(xiàn)有規(guī)律的尖點(diǎn)。

Abstract： The number of failures of rotating machinery system is more and more frequent. Most of the faults are caused by bearing faults. The faults of rotating machinery system caused by rolling bearing faults are the most common.6205-2RS deep groove ball bearing is the research object， this paper uses CATIA to build three-dimensional model of deep groove ball bearings. This paper uses the finite element analysis software ANSYS to carry on the modal analysis， and gets the first eight natural frequencies and the deformation of each order frequency bearing. The analysis results indicate that the normal bearing and fault bearing in normal condition， with the increase of loading frequency， deformation increased， reached the maximum deformation in the vicinity of the natural frequency of the bearing， compared to normal bearing vibration frequency， regular cusps appear in the amplitude frequency characteristic curve for the inner ring of the bearing fault vibration frequency.

關(guān)鍵詞：深溝球軸承;故障;頻率分析;模態(tài)分析

Key words： deep groove ball bearing;fault;frequency analysis;modal analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0056-02

0? 引言

目前故障診斷技術(shù)發(fā)展迅速，但是滾動(dòng)軸承的故障監(jiān)測(cè)方法相比于其它的零部件故障監(jiān)測(cè)方法還相對(duì)落后，為了降低因滾動(dòng)軸承故障引起事故的可能性，研究一種經(jīng)濟(jì)、有效的滾動(dòng)軸承診斷監(jiān)測(cè)方法至關(guān)重要[1]。

本文以深溝球軸承為研究對(duì)象，運(yùn)用CATIA三維軟件建立深溝球軸承的三維模型;通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析[2]，利用ANSYS分析深溝球軸承模態(tài)得到其前六階固有頻率[3]，以及各階頻率下軸承的變形云圖，并尋找其最大變形量;在軸承內(nèi)圈切一個(gè)小槽，使其在轉(zhuǎn)速為1750轉(zhuǎn)/分、內(nèi)圈轉(zhuǎn)矩為100N·mm、外圈固定的工況下，對(duì)有缺痕軸承利用ANSYS做諧響應(yīng)分析[4]，得出軸承的幅頻曲線(xiàn)，最后與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

1? 基于CATIA三維建模

在CATIA環(huán)境中對(duì)軸承建模，軸承參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)表1的參數(shù)，將滾珠、保持架、內(nèi)圈、外圈四部分導(dǎo)入新建裝配體中，得裝配圖如圖1所示，完成軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2? 零件固有頻率理論計(jì)算

2.1 軸承內(nèi)圈故障頻率

2.2 軸承外圈故障頻率

2.3 軸承滾珠故障頻率

2.4 零件故障頻率表

軸承工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為1750轉(zhuǎn)/分，軸承的滾球個(gè)數(shù)N=9，滾珠直徑d=7.94mm，軸承的節(jié)徑為D=39.04mm，接觸角α=0，由公式計(jì)算得到各部件理論故障頻率如表2。

3? 基于ANSYS模態(tài)分析

3.1 材料設(shè)置

提取ANSYS的modal模塊，添加在Engineering Data中添加材料H62和GCr15兩種材料，設(shè)置GCr15密度7800kg/m^3，彈性模量為2.08E+11pa，泊松比為0.3;設(shè)置H62的密度為8500kg/m^3，彈性模量為1E+11pa，泊松比為0.346。

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格單元類(lèi)型采用自動(dòng)劃分，單元大小設(shè)置為2mm，網(wǎng)格劃分如圖2。

3.3 添加約束

軸承工作時(shí)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為1750r/min，外圈外表面B固定，在Analysis Setting中設(shè)置求解前六階固有頻率，約束如圖3。

3.4 模態(tài)分析結(jié)果

在Solution中選擇Total Deformation，求解得到軸承前六階固有頻率，如圖4、圖5所示。

同時(shí)得到前六階固有頻率下的軸承變形量，在此列出第二階固有頻率下的軸承變形圖，最大變形量為0.20269mm，如圖6所示。

4? 軸承諧響應(yīng)分析

4.1 約束添加

對(duì)上述的的深溝球軸承的內(nèi)圈切一個(gè)小槽，形成有缺陷的軸承，對(duì)軸承進(jìn)行諧響應(yīng)分析與無(wú)缺陷軸承模態(tài)分析的材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、模態(tài)約束相同，再添加諧響應(yīng)約束，軸承工作時(shí)內(nèi)圈受轉(zhuǎn)矩為100N·mm，如圖7所示。

4.2 諧響應(yīng)分析結(jié)果

在Analysis Setting中設(shè)置頻率邊界為0-1000Hz，響應(yīng)階數(shù)為50，在Solution（C6）中添加Total Deformation和Frequency Response并求解，得到幅頻特性曲線(xiàn)如圖8。

得到軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)矩為100N·mm工況下變形如圖9。

根據(jù)諧響應(yīng)分析結(jié)果，可知軸承在正常工況下，在軸承固有頻率范圍之內(nèi)，隨著加載頻率增大，變形幅度增大，在頻率為632Hz附近時(shí)幅值增到最大，與計(jì)算出的內(nèi)圈故障頻率656.95Hz相接近，故判定為內(nèi)圈故障。

5  結(jié)論

①用ANSYS有限元分析軟件對(duì)深溝球軸承進(jìn)行模態(tài)分析，得到前六階固有頻率下的軸承變形云圖，在第二階固有頻率647Hz頻率下的軸承達(dá)到最大變形，變形量為0.20269mm。②給軸承內(nèi)圈切一個(gè)小槽，對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析結(jié)果顯示，軸承在正常工況下，且小于軸承固有頻率時(shí)，隨著加載頻率增大，變形幅度增大;在頻率為632Hz附近時(shí)幅值增到最大，與計(jì)算出的內(nèi)圈故障頻率656.95Hz相接近，故判定為內(nèi)圈故障。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈明明，李榮，劉祖國(guó)，等.數(shù)控機(jī)床軸承結(jié)構(gòu)振動(dòng)諧響應(yīng)及疲勞壽命研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2019（011）：143-147.

[2]邱海飛.SKF6208滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2019（012）：112-116.

[3]張丹，隋文濤，宋汝君，等.變分模態(tài)分解及其在軸承故障分析中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2019，047（017）：212-215.

[4]范廣宇，張文博.深溝球軸承的動(dòng)態(tài)特性分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（008）：44-46.