滾動(dòng)軸承教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

李 崢， 李 政，2， 王 旭，2， 明安波，2， 盧文秀， 褚福磊

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084；2.火箭軍工程大學(xué)導(dǎo)彈工程學(xué)院，西安710025）

0 引 言

軸承系統(tǒng)仿真試驗(yàn)臺(tái)在科研和教學(xué)中十分常見(jiàn)，它多用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（軸承、齒輪）的動(dòng)力學(xué)研究和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的課程演示，而在這些試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中常見(jiàn)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(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，一些故障現(xiàn)象無(wú)法進(jìn)行解釋，對(duì)軸承動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的理解不夠深入，甚至和理論結(jié)果以及課程學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)比出現(xiàn)比較大的偏差。實(shí)際上，對(duì)故障軸承的動(dòng)力學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)以及實(shí)驗(yàn)信號(hào)的識(shí)別分類等工作在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中有著更為重要的作用。為此，本文開(kāi)發(fā)了軸承故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為研究生更好地展示軸承的動(dòng)力學(xué)特性［1-6］。

1 試驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)裝置由不同故障尺寸的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。教學(xué)設(shè)備核心部件由電動(dòng)機(jī)、支撐軸承、軸、偏心盤(pán)以及底座固定平臺(tái)等組成。其中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高可以達(dá)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(shè)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(shí)驗(yàn)中為了得到更為精確的試驗(yàn)結(jié)果以及便于后期數(shù)據(jù)處理，采集頻率設(shè)置為51.2 kHz［7-10］。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)件各種參數(shù)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)體直徑B ＝14 mm，滾珠個(gè)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(zhǎng)度LD分別為1、1.3、3 mm的點(diǎn)蝕故障缺陷，位于軸承外圈6 點(diǎn)鐘方向。如圖2 所示。

圖2 軸承外圈點(diǎn)蝕故障

3 實(shí)驗(yàn)軸承運(yùn)動(dòng)分析

典型的滾動(dòng)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(dòng)體直徑；α為接觸角。

圖3 典型滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)軸承是外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4 所示滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)情況，此時(shí)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(rèn)為滾珠為純滾動(dòng)，無(wú)打滑現(xiàn)象，所以A 的速度為vA＝vi。又因外圈固定，所以滾動(dòng)體與接觸點(diǎn)D 的速度為vD＝0。而滾動(dòng)體中心B 的速度（即保持架的速度）為

保持架相對(duì)于外圈的旋轉(zhuǎn)頻率為

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

圖4 外圈固定滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)分析

圖5 內(nèi)圈固定滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)分析

此時(shí)A點(diǎn)的切線速度為

B點(diǎn)的線速度也是保持架的速度，即

保持架相對(duì)于內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的頻率為

滾珠相對(duì)于內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率為

滾珠相對(duì)于外圈的旋轉(zhuǎn)頻率為

4 實(shí)驗(yàn)軸承特征頻率分析

對(duì)于角接觸軸承，當(dāng)外圈固定不動(dòng)時(shí)，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(dòng)體故障特征頻率

5 實(shí)驗(yàn)研究與信號(hào)分析處理

加速度傳感器通過(guò)螺紋連接到軸承座上，X／Y 兩個(gè)方向測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器，由裝在計(jì)算機(jī)上的軟件VQpro進(jìn)行分析與處理。傳感器位置如圖6所示。軸承座上下通過(guò)螺栓規(guī)定，可以拆卸，以便更換不同故障類型的軸承。通過(guò)設(shè)備的激光轉(zhuǎn)速儀，測(cè)定設(shè)備轉(zhuǎn)速信號(hào)。

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(dòng)信號(hào)［10-11］。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)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(pán)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(dòng)時(shí)缺陷長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)的區(qū)別，設(shè)定旋轉(zhuǎn)頻率fr分別為10、30 和60 Hz，分別測(cè)得軸承缺陷周向長(zhǎng)度LD＝1.0、1.3、2.0 mm時(shí)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，如圖7 ～9 所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)頻率fr ＝10 Hz時(shí)振動(dòng)響應(yīng)

圖8 旋轉(zhuǎn)頻率fr ＝30 Hz時(shí)振動(dòng)響應(yīng)

圖9 旋轉(zhuǎn)頻率fr ＝60 Hz時(shí)振動(dòng)響應(yīng)

通過(guò)上述采集的不同頻率、大小的故障的振動(dòng)響應(yīng)，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(dòng)幅度會(huì)加劇，符合了試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的要求。由上述所測(cè)的振動(dòng)信號(hào)圖形中可以看出，時(shí)域圖中轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈即產(chǎn)生一個(gè)沖擊響應(yīng)，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(yǔ)

清華大學(xué)研究生課程“機(jī)械振動(dòng)”“轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)”以及本科生“機(jī)械的奧秘”課程面向的學(xué)生專業(yè)比較廣泛，包括了機(jī)械工程系、汽車系、航天航空學(xué)院等院系，因此建設(shè)完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置以及配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)非常必要。相關(guān)機(jī)械振動(dòng)以及轉(zhuǎn)子（軸承）結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性課程本身具有抽象、理解難度大的特點(diǎn)，利用該實(shí)驗(yàn)設(shè)備能幫助學(xué)生更好更快地掌握理論知識(shí)，并在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)現(xiàn)象，發(fā)散思維，為今后的理論知識(shí)學(xué)習(xí)以及科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。