滾動軸承教學實驗設備實驗與應用

李 崢， 李 政，2， 王 旭，2， 明安波，2， 盧文秀， 褚福磊

（1.清華大學機械工程系，北京100084；2.火箭軍工程大學導彈工程學院，西安710025）

0 引 言

軸承系統(tǒng)仿真試驗臺在科研和教學中十分常見，它多用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（軸承、齒輪）的動力學研究和動力學結(jié)構(gòu)的課程演示，而在這些試驗臺的設計中常見的多為正常完好的軸承，忽略了各種形式軸承故障的出現(xiàn)，導致在實驗教學過程中，一些故障現(xiàn)象無法進行解釋，對軸承動力學結(jié)構(gòu)的理解不夠深入，甚至和理論結(jié)果以及課程學習內(nèi)容對比出現(xiàn)比較大的偏差。實際上，對故障軸承的動力學研究、實驗現(xiàn)象的觀測以及實驗信號的識別分類等工作在實驗教學過程中有著更為重要的作用。為此，本文開發(fā)了軸承故障診斷實驗平臺，為研究生更好地展示軸承的動力學特性［1-6］。

1 試驗臺

實驗裝置由不同故障尺寸的點蝕故障軸承、剝落故障軸承、線切割故障軸承、正常軸承組成。圖1 和圖2 分別是故障軸承和軸承故障診斷實驗裝置的實物圖。教學設備核心部件由電動機、支撐軸承、軸、偏心盤以及底座固定平臺等組成。其中電動機轉(zhuǎn)速最高可以達到6 000 r／min，與其配套的控制軟件可以調(diào)節(jié)恒定轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速、正反向旋轉(zhuǎn)等模擬多種轉(zhuǎn)速工況。采集系統(tǒng)為設備自帶的軟件，傳感器為ICP 型3056B1，靈敏度為10 mV／g。軸承選用的是SKF6204。在實驗中為了得到更為精確的試驗結(jié)果以及便于后期數(shù)據(jù)處理，采集頻率設置為51.2 kHz［7-10］。

圖1 試驗設備

2 試驗件各種參數(shù)

設計實驗所采用的是skf6204 型軸承，外圈直徑D＝47 mm，內(nèi)圈直徑d ＝20 mm，節(jié)徑43.5 mm，滾動體直徑B ＝14 mm，滾珠個數(shù)N ＝11。根據(jù)產(chǎn)生故障的大小，在軸承外圈上利用電火花加工周向長度LD分別為1、1.3、3 mm的點蝕故障缺陷，位于軸承外圈6 點鐘方向。如圖2 所示。

圖2 軸承外圈點蝕故障

3 實驗軸承運動分析

典型的滾動軸承結(jié)構(gòu)尺寸如圖3 所示。圖中：Do為外圈滾道直徑；D 為軸承滾道（保持架）直徑；Di為內(nèi)圈滾道直徑，Di＝D－dcos α；Do＝D ＋dcos α，d為滾動體直徑；α為接觸角。

圖3 典型滾動軸承結(jié)構(gòu)

試驗臺軸承是外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，如圖4 所示滾動軸承旋轉(zhuǎn)情況，此時軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率為fn。

內(nèi)圈滾道的切線速度為

認為滾珠為純滾動，無打滑現(xiàn)象，所以A 的速度為vA＝vi。又因外圈固定，所以滾動體與接觸點D 的速度為vD＝0。而滾動體中心B 的速度（即保持架的速度）為

保持架相對于外圈的旋轉(zhuǎn)頻率為

假定內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，外圈滾動，可得圖5 所示的運動分析圖。

圖4 外圈固定滾動軸承運動分析

圖5 內(nèi)圈固定滾動軸承運動分析

此時A點的切線速度為

B點的線速度也是保持架的速度，即

保持架相對于內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的頻率為

滾珠相對于內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率為

滾珠相對于外圈的旋轉(zhuǎn)頻率為

4 實驗軸承特征頻率分析

對于角接觸軸承，當外圈固定不動時，不同軸承故障的理論故障特征頻率為：

外圈故障特征頻率

內(nèi)圈故障特征頻率

滾動體故障特征頻率

5 實驗研究與信號分析處理

加速度傳感器通過螺紋連接到軸承座上，X／Y 兩個方向測得的振動信號經(jīng)電荷放大器，由裝在計算機上的軟件VQpro進行分析與處理。傳感器位置如圖6所示。軸承座上下通過螺栓規(guī)定，可以拆卸，以便更換不同故障類型的軸承。通過設備的激光轉(zhuǎn)速儀，測定設備轉(zhuǎn)速信號。

圖6 傳感器在軸承座上的安裝位置

下面采集轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同故障參數(shù)下的振動信號［10-11］。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸長度L ＝36 cm，為了使臨界轉(zhuǎn)速增大，將左端軸承置于轉(zhuǎn)軸中央，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量Mrp＝6 kg，現(xiàn)將故障軸承安置于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)右端，保持外圈與軸承座固定，內(nèi)圈隨著旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。為了觀察轉(zhuǎn)子在低速和高速轉(zhuǎn)動時缺陷長度對系統(tǒng)的振動響應的區(qū)別，設定旋轉(zhuǎn)頻率fr分別為10、30 和60 Hz，分別測得軸承缺陷周向長度LD＝1.0、1.3、2.0 mm時軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動響應，如圖7 ～9 所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)頻率fr ＝10 Hz時振動響應

圖8 旋轉(zhuǎn)頻率fr ＝30 Hz時振動響應

圖9 旋轉(zhuǎn)頻率fr ＝60 Hz時振動響應

通過上述采集的不同頻率、大小的故障的振動響應，經(jīng)分析處理后得出如下結(jié)論：隨著旋轉(zhuǎn)頻率和故障缺陷尺寸的增加，由軸承故障造成的振動幅度會加劇，符合了試驗臺設計的要求。由上述所測的振動信號圖形中可以看出，時域圖中轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈即產(chǎn)生一個沖擊響應，在位移頻譜圖中能夠很清晰地看出系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頻率大小，在加速度頻譜圖中，能量分布雜亂，低頻區(qū)以轉(zhuǎn)頻fr及其高階諧波為主。在倒頻譜中，故障特征頻率及其與轉(zhuǎn)頻的交叉以及倍頻處具有幅值較大的離散譜線［11-17］。

6 結(jié) 語

清華大學研究生課程“機械振動”“轉(zhuǎn)子動力學”以及本科生“機械的奧秘”課程面向的學生專業(yè)比較廣泛，包括了機械工程系、汽車系、航天航空學院等院系，因此建設完善的實驗教學裝置以及配套的實驗系統(tǒng)非常必要。相關(guān)機械振動以及轉(zhuǎn)子（軸承）結(jié)構(gòu)的動力學特性課程本身具有抽象、理解難度大的特點，利用該實驗設備能幫助學生更好更快地掌握理論知識，并在實驗中認識現(xiàn)象，發(fā)散思維，為今后的理論知識學習以及科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。