轴承保持架冲击的小波分析

刘品，黄迪山，莫远珍，傅慧燕

(1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.上海天安轴承有限公司，上海 200230)

1 滚动体与保持架碰撞机理

轴承保持架振动的原因有许多，但与滚动体碰撞引起的振动是最重要的。当轴承承受载荷时，在载荷区和非载荷区的滚动体由于在圆周上所处角位置不同, 滚动体的公转角速度也不同，而保持架以各个滚动体公转角速度的平均值进行运转[1]，如图1所示，在每一个滚动体位置将产生保持架兜孔导前或滞后于滚动体的碰撞。由于碰撞过程中会产生动态载荷，如果发生共振，还会产生极高的应力，甚至导致保持架失效。国内、外多次出现因为保持架的冲击和振动造成航空发动机主轴球轴承保持架疲劳断裂的故障[2-3]。文献[4]通过对航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂的分析，认为对保持架疲劳断裂产生实质性影响的作用力就是滚动体对保持架兜孔的弹性碰撞力。

图1 滚动体与保持架碰撞机理

基于滚动体与保持架碰撞研究的现状，本例通过对轴承外圈作特殊加工，在同一径向平面上安装两个相互垂直激光位移传感器，检测实体保持架在径向平面的振动位移[5]，从采集到的保持架振动信号中用小波分析法提取滚动体与保持架的碰撞信息。

2 试验装置

选择实体保持架作为试验对象，用激光位移传感器测量其振动位移。由于保持架位于轴承内、外圈之间，不能直接用激光测量保持架的径向运动。因此，需要对轴承外圈进行特殊处理，让激光光束能够直接照射到保持架上，才能测量保持架的径向振动。采用电火花钼丝切割技术在轴承外圈边框上切4个互成90°、宽2.2 mm、深2 mm的槽，该槽深度不能侵入外滚道，而且槽的加工不影响轴承的正常旋转。激光光束透过槽孔能够连续照射到保持架圆周边框，如图2a所示。试验装置由安德鲁试验台、激光传感器及计算机控制系统组成，如图2b所示。

图2 保持架质心运动轨迹激光测量原理

试验轴承型号为7002/P4，外径32 mm,内径15 mm，球径4.763 mm，球数n=11。轴承安置在安德鲁的驱动轴上，轴向加载分别为22.23(5磅)，44.46(10磅)和88.92 N(20磅)，试验转速为1 800 r/min，外圈固定，内圈转动。采用两个KYENCE激光探头LK-G30，其测量分辨率为0.05 μm，光束斑点20 μm。在检测时，设置信号的采样频率为10 kHz，采样点数为65 536，同时对保持架位移进行x，y方向数据采集。

3 保持架质心轨迹图

质心运动轨迹图是描述保持架稳定性的工具，用它可定性地描述轴承保持架涡动和稳定的状态。用激光传感器同时拾取保持架径向平面上x，y方向上的振动信号。用小波函数设计滤波器，截止频率fcut=26 Hz，对信号进行低通滤波处理。则保持架质心运动轨迹的数学表达式为

z=x+jy。

在轴向加载分别为22.23，44.46和88.92 N及保持架倾斜时，用保持架径向平面上x，y方向上的振动信号合成的质心运动轨迹如图3所示。随着轴向载荷的增大，保持架的质心运动区域有减小的趋势，保持架运动随载荷的增加而更加稳定。如果在相同的轴向载荷下，轴承外圈受力不均匀，以致外圈稍有倾斜，则保持架运动轨迹趋于不稳定。

图3 轴向载荷下保持架质心运动轨迹

4 小波基选择

虽然保持架质心运动轨迹能形象地描述其稳定性，但不能描述保持架与滚动体冲击的状况，因而有必要寻找其他方法识别其冲击信息。小波变换具有多分辨特性，而奇异特性在提取时间域局部冲击特征信号时有着显著效果，因此本例应用小波变换对轴承保持架振动信号进行分析，提取保持架与滚动体碰撞引起的冲击信号。

保持架出现冲击时，在振动信号的某些时段上呈近似的衰减震荡波形，为突出这一特征，从振动信号中检测冲击信号，选取的小波基函数应适应这种波形。本案采用Daubechies族小波，其波形符合上述特征。应用中，根据它与实测保持架振动信号符合程度的相对误差进行判断。通过对Daubechies各阶小波基的分解分量进行信息重构和重构误差分析，选择最优小波基。图4是保持架振动的原始信号；图5为3种Daubechies小波对保持架振动信号的重构与误差波形，运用Daubechies2(db2)小波时，原始信号和重构信号的相对误差为2×10-13，重构误差为最小。因此，在以下分析中将选择db2为小波基。

图4 保持架振动信号

图5 基于Daubechies族小波重构和误差

5 小波分析

小波分解将原始信号分解成低频和高频两部分，从第2层开始仅对低频部分信号进行分解，最后形成从高到低的各个频段信号。小波分解的过程使用db2小波，分解水平N=5。轴向加载分别为22.23，44.46和88.92 N的轴承保持架水平振动位移分解后的低频和高频系数如图6～图8所示，取2.20～2.40 s的点进行分析。图中s为采集到的原始信号，d1～d5分别为1～5层的波段。

时间/s

从图6的d1，d2波段可以观测到存在多处高频突变,这就意味着在该时刻附近存在高频突变信息，是滚动体沿周向与保持架过梁碰撞产生的冲击。

时间/s

轴向加载为22.23和44.46 N时，从图6、图7的d1，d2波段可以观测到存在多处连续冲击,并具有周期性。在这种情况下，冲击幅度随载荷增加而减小。但轴向加载至88.92 N时，在图8的d1，d2波段上，冲击次数明显增多，周期性不明显，但冲击幅度基本不变。

时间/s

如果轴向加载为88.92 N，同时外圈受轴向力不均匀，外圈略有偏斜，由图9的d1，d2波段可以看出，冲击次数更多、幅度明显增大且冲击呈随机性变化。

时间/s

由于保持架与滚动体速度不完全一致,导致碰撞发生，呈现冲击波形。碰撞的结果是保持架的速度发生改变,表现为保持架整个运动过程中速度出现波动，因而保持架质心轨迹也相应发生变化。结合小波分解和质心轨迹图分析可知：当保持架碰撞次数少时，保持架冲击次数少，并具有周期性，质心轨迹较平稳；反之，当保持架碰撞次数多时，保持架冲击次数多且幅度大并具有随机性，质心轨迹则趋于混乱。

6 结束语

采用db2小波为基函数对保持架振动信号进行5层分解，从分解的各个波段信号中提取滚动体与保持架的碰撞冲击，数据处理验证了小波分析的有效性。利用小波分析可以检测轴承保持架在各种工况下的冲击碰撞幅度和周期性变化，为保持架疲劳寿命估计提供了依据。

由于保持架受质量不平衡力、惯性力及离心力等复杂因素的影响,其不可避免地存在与球的冲击。当轴向载荷增大，在一定范围内使接触角均匀化,使各滚动体圆周速度均匀化，从而减少滚动体与保持架的周向碰撞，保持架质心运动趋于平稳。而内、外圈的相对歪斜将使滚动体在一周的运转中接触角变化增大,使其圆周速度变化增大，从而导致滚动体与保持架的周向碰撞频度加剧。因此在轴承装配时，应减少套圈相对偏斜，降低滚动体与保持架的碰撞频度，防止保持架疲劳断裂。