装甲车变速箱滚动轴承故障仿真分析

宋一龙，高 鑫，王智勇，林 董

(中国人民解放军陆军步兵学院 石家庄校区，河北 石家庄 050000)

0 引 言

由于工况的复杂及恶劣性,装甲车变速箱故障时有发生，轴承故障在变速箱所有故障类型中占到约19%，掌握轴承故障特性及时发现轴承故障是保证装甲车平稳运行的关键[1-3]。

F. Bogard等[4]建立了轴承-轴承座有限元模型，从实验、仿真的角度对振动测点进行了优化。Kiral[5]提出了一种利用有限元仿真轴承外圈故障在不同载荷条件下的振动响应的模型，计算了非平衡载荷下轴承滚动体对外圈的冲击载荷。An Sung Lee等[6]利用有限元法研究了转子轴承系统在冲击载荷下的响应情况。张刚等[7]综合考虑轴承的径向载荷和转速的影响，应用ANSYS/LS-DYNA对滚动轴承在特定工况下进行显式动力学仿真与分析，得出了轴承的动态响应。Sarabjeet Singh等人[8]通过LS-DYNA仿真分析了轴承滚动体和滚道之间的接触力和故障轴承的振动响应，并且仿真了滚动体进入缺陷和离开缺陷时滚动体和滚道之间接触力的变化特征。邓四二[9]以ADAMS为平台，对高速圆柱滚子轴承进行了分析，研究了不同保持架引导方式下高速圆柱滚子轴承保持架动态响应的影响规律。合肥工业大学的关猛[10]通过ADAMS软件仿真验证了高速铁路轴承各部件间接触力的大小。

现有研究对轴承的故障机理、特性等较为深入，但涉及故障定量分析的研究涉及较少，本研究建立基于ADAMS的轴承刚柔耦合动力学模型，对轴承外圈故障进行定量仿真分析。

1 轴承双冲击理论

当轴承外圈产生故障时，不同尺寸的故障大小所产生的振动响应是不同的，当故障尺寸很小时，轴承的故障振动响应信号表现为单冲击，随着故障尺寸的增大，当故障尺寸达到一定程度时，当滚动体进入故障时会产生第一次冲击，如图1所示。

图1 滚动体进入缺陷示意图

当滚动体离开故障时产生第二次冲击，这时轴承的故障响应信号表现为双冲击，滚动体离开缺陷示意图如图2所示。

图2 滚动体离开缺陷示意图

不同尺寸故障所产生的振动响应的不同主要体现在对应的时域信号双冲击时间间隔的不同。两次冲击的时间间隔是与故障尺寸的宽度大小有关的。双冲击的时间可以由下式确定：

(1)

式中：De—外圈滚道直径，可以表示为：

De=Dpw+Dw

(2)

(3)

式中：fc—保持架的故障频率。

对于深沟球轴承接触角α=0，所以：

(4)

所以：

(5)

由上式看出双冲击的时间t与故障宽度成正比，所以可以根据双冲击的时间得到故障的大小，从而实现对轴承故障大小进行定量诊断。

2 基于ADAMS的滚动轴承动力学仿真

2.1 基于Solidworks的滚动轴承三维实体建模

本研究在Solidworks软件中创建4种不同故障宽度的轴承外圈以及正常的内圈，保持架和滚动体的三维模型。

外圈故障宽度0.5 mm示意图如图3所示。

图3 外圈故障宽度0.5 mm示意图

本研究将轴承外圈故障尺寸大小设置为0.5 mm，2 mm，3.5 mm和5 mm建立4种不同外圈故障大小的故障轴承模型。

本研究将含有不同尺寸的外圈故障轴承导入ADAMS中，然后将不同尺寸的故障外圈在ANSYS中分别进行柔性化，用生成的柔性体外圈替换刚性体外圈，得到含有外圈故障的刚柔耦合模型，如图4所示。

图4 外圈故障刚柔耦合模型

2.2 仿真分析

本研究利用ADAMS自带的差值的功能对轴承外圈的加速度时域信号图进行插值，然后将插值后的数据导入到Matlab中进行分析，利用Matlab得出的不同大小故障下所对应的轴承外圈频谱图，包络图及其时域局部放大图如图(5～8)所示。

图5 0.5mm外圈故障振动响应信号

图6 2 mm外圈故障振动响应信号

通过图(5～8)的时域图可以看到周期性的冲击现象。在包络解调谱中除了非常明显的外圈故障特征频率76.88 Hz外，而且存在明显的倍频成分。当外圈故障尺寸为0.5 mm时，通过时域放大图，轴承的故障脉冲响应表现为单冲击，随着故障尺寸的增大，即产生双冲击，两个脉冲之间的时间间隔是与故障的宽度大小相关的，双冲击的时间与故障的宽度尺寸成正比，从而可以通过故障轴承的时域信号图中的双冲击的时间间隔和轴承的尺寸参数实现轴承故障的诊断。

图7 3.5mm外圈故障振动响应信号

图8 5 mm外圈故障振动响应信号

2.3 实验验证

为了验证轴承外圈故障定量仿真结果的有效性，本研究通过电火花加工的方式加工外圈故障大小分别为0.5 mm，2 mm，3.5 mm以及5 mm的矩形故障，然后分别与正常的保持架，滚动体以及内圈装配成4种不同外圈故障大小的轴承，得到4组不同外圈故障大小的加速度振动响应信号，频谱图、包络图以及时域局部放大图如图(9～12)所示。

图9 0.5 mm外圈故障振动响应实验信号

图10 2 mm外圈故障振动响应实验信号

图11 3.5 mm外圈故障振动响应实验信号

图12 5mm外圈故障振动响应实验信号

通过对不同故障大小的轴承外圈进行实验可以看出，仿真结果与实验结果基本相符，当故障为0.5 mm时，振动响应信号的时域图主要表现为单冲击，不存在双冲击的现象，随着故障尺寸的增大，当故障大小为2 mm，3.5 mm和5 mm时，振动响应信号中可以看到双冲击现象的存在，并且在每种不同故障大小的时域放大图中均能找到相对应的双冲击的时间间隔，时间间隔与理论计算值及其仿真结果是十分吻合的，从而验证了仿真结果的有效性。

3 结束语

根据装甲车变速箱轴承实际参数，本研究建立了基于ADAMS的轴承刚柔耦合动力学模型，对双冲击理论进行了简要概述，并对4种不同尺寸的轴承外圈故障进行了仿真，通过故障轴承的振动响应信号得出当故障宽度为2 mm，3.5 mm以及5 mm时，故障轴承的时域信号中存在双冲击现象，根据时域信号中双冲击的时间间隔就可以得到所对应的轴承外圈故障宽度的大小，实现了轴承外圈故障的准确诊断。

该方法为提高轴承故障诊断准确率，预测轴承运行寿命提供了帮助。

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