圆锥滚子轴承故障诊断仿真分析

汤武初 葛洪胜 高长笛 王依

摘要：针对高速铁路列车上双列圆锥滚子轴承的工作特点，本文建立了高速列车轴箱轴承双列圆锥滚子轴承分析模型，利用理论分析和软件仿真相结合的方法，分析了OR-641157AC/VA3881型的双列圆锥滚子轴承在外圈剥落和外圈正常情况下的故障特征频率。利用三维实体建模软件CREO（Creo Parametric），建立了轴承正常和轴承外圈剥落两种情况下的模型，并将模型导入ANSYS分析软件，进行添加约束与驱动，同时对两种状态下的模型进行仿真分析和理论计算。研究结果表明，低阶模态振型对轴承的结构变化影响较大，尤其在低阶固有频率以下，轴承形变比较明显，振幅较大。仿真结果与理论计算结果相吻合，证明了所建模型与仿真结果的合理性和正确性。该研究为轴承的故障诊断提供了合理的方法。

关键词：圆锥滚子轴承; 模态分析; ANSYS; 故障诊断

滚动轴承是高速列车走行部的重要组成部件，它的工作状态对整个转向架的安全运转具有较大的影响，作用是将正在运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，进而减少摩擦损失。近年来，我国高速铁路技术的飞速发展，对高速列车的性能要求越来越高。轴箱轴承是高速列车最关键和最核心的部件，轴承故障的出现容易造成非常严重的铁路交通事故，并将导致无法挽回的损失[1～3]。在实际工作状态中，轴承内圈与列车轮对轴采用过盈配合，轴承外圈与轴箱座采用过渡配合或过盈配合，外圈与轴承座没有相对运动。圆锥滚动体与内外圈滚道之间产生的摩擦力使滚动体不仅绕轴承轴线作公转，还绕自身轴线作自转运动[4]。由于旋转机械中轴承故障发生频率很高，人们开始考虑进行轴承模型的建模，随着计算机的发展，该问题得到很好地解决。曹青松等人[5]建立了CRH1型动车组滚动轴承-车轴耦合系统非线性动力学模型，采用数值方法，分析了不同工况下动车组轴承-车轴耦合系统的动力学响应与非线性特性;杨天蕴等人[6]根据轴承故障机理，建立了轴承故障动力学模型，并利用实际轴承进行测试，验证了模型的正确性;李长健等人[7]通过建立模型，使用多体动力学仿真软件ADAMS对剥落故障进行分析，验证了该故障模型的有效性;D.P.Jena等人[8]提出利用非抽样小波变换，对轴承振动信号进行降噪处理，获得的近似信号更好地适用于基于连续小波变换的时频分析信号处理方法，测量圆锥滚子轴承内圈和外圈的缺陷大小;董振振[9]以深沟球轴承为研究对象，分析局部故障激励下轴承外圈在径向上的振动响应，建立滚动轴承内外圈之间的耦合关系，给出故障轴承振动方程组，通过Matlab软件求解获得仿真信号，对比仿真模型与实验中的实测信号验证模型的准确性;针对高速动车组轴箱轴承中的圆锥滚子轴承，刘永强等人[10]建立了一种含外圈故障的滚动轴承非线性动力学模型;袁茹等人[11]建立了滚动轴承-转子系统的非线性动力学模型，研究了系统响应随转子转速的变化趋势。以上研究对象多为结构比较简单的单列轴承，本文采用三维实体建模软件CREO，建立双列圆锥滚子轴承，进行模拟轴承外圈剥落的故障情况，探究轴承外圈故障对轴承振动特性的影响。该模型为轴承故障诊断、故障机理研究及故障变化规律的研究提供了理论基础。

1 轴承平衡方程

2 有限元模型的建立

2.1 滚动轴承参数

本文以CRH5型车的轴箱轴承为研究对象进行建模，该列车采用斯凯孚（svenska kullagerfabriken，SKF）生产的OR-641157AC/VA3881型双列圆锥滚子轴承。利用三维实体建模商业软件CREO建立轴承模型，该轴承每列有圆錐滚子21个，双列圆锥滚子轴承结构如图2所示，641157AC/VA3881轴承参数如表1所示。

高速列车的轴承均为弹性材料，材质为轴承钢，保持架为塑钢材料，塑钢保持架可有效降低轴承内部温度，使轴承性能的可靠性提高。轴承各部件参数如表2所示。

当轴承的滚动体与内圈、外圈及保持架接触时，均通过接触实现力的传递，正确的设置接触非常重要。滚动轴承具有3对接触，即滚动体与内圈滚道接触、滚动体与外圈滚道接触、滚动体与兜孔之间接触。每一个滚动体都有3对接触，整套双列圆锥滚动轴承共有126对接触。为了与实际相符，考虑摩擦因素的影响，各接触面摩擦系数如表3所示。

根据实际情况，建立外圈剥离故障轴承模型，剥离损伤尺寸为50 mm×20 mm×0.5 mm，轴承外圈剥落实物图如图3所示。

2.2 有限元网格的划分

采用三维软件CREO画出图形，导入分析软件ANSYS中，一般轴承的材料为轴承钢，其强度大，变形很小，所以设置的部件材料为线性材料。在网格划分的各项参数中，设置的外圈、内圈和保持架采用自动划分方式，网格大小为5 mm。划分完成后，网格质量满足要求，模型网格节点数量为163 812，单元数量为750 626。轴承有限元网格模型如图4所示。

3 仿真分析

根据高速列车轴箱轴承工作特点，尤其是滚动体与保持架之间复杂的受力及运动关系，仿真时需要进行如下假设：

1） 忽略轴承两端的端盖、油挡环等密封装置的影响。

2） 忽略轴向、径向间隙对油膜的影响，因为该高速列车轴箱轴承采用酯润滑，出厂时轴承的径向及轴向游隙均已经调好[21]。

3） 设零件各部件为刚体，忽略轴承的柔性变形，若零件接触产生局部形变时，视为弹性形变。

4） 在轴承外圈外表面施加固定约束，限制其自由度，以模拟外圈与轴箱装配状态;轴承外圈侧表面施加固定约束，以模拟轴承箱体约束;轴承内圈内表面施加轴向约束，以模拟内圈与轴的连接状态。

采用8阶模态提取阶数进行模态分析，正常轴承前8阶模态如图5所示。由图5可以看出，低阶模态振型对轴承的结构变化影响较大，尤其在低阶固有频率以下，轴承形变比较明显，振幅较大，由此可大致估算高速列车轴箱轴承的易损伤频率范围。实际使用中，当轴承发生故障时，其各阶的振动频率会有变化。

以轴承外圈剥落损伤为例，再进行模态分析，外圈故障轴承前8阶模态如图6所示。

将OR-641157AC/VA3881轴承伤损前后共振频率进行对比，两种不同的振动频率对比结果如表4所示。通过各阶频率模态图和特征频率可以看出，随着阶数的增加，特征频率增大。外圈剥落故障轴承的各阶故障特征频率都比正常轴承小。低阶模态振型是影响轴承结构变化的主要原因，尤其在低阶固有频率以下，轴承形变比较明显，振幅较大。

4 结束语

本文采用三维实体建模软件和模态仿真软件，对OR-641157AC/VA3881型轴承进行准确的建模和仿真分析，对正常轴承和外圈有缺陷的轴承仿真结果进行对比分析。通过研究发现，所建模型符合实际情况，轴承的外圈故障特征频率仿真结果与理论计算结果大体吻合，说明该模型的合理性。正常轴承与故障轴承的振型基本相同，不同的是当故障轴承运转到故障位置时，整体固有频率在一定程度上降低，这样会导致车辆运行过程中产生的振动频率更容易达到轴承的振动固有频率，从而产生共振，加剧轴箱轴承的损坏，甚至影响其他部件的损坏。该模型为轴承故障诊断、故障机理研究及故障变化规律的研究提供了合理的方法。

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