滚动轴承的非线性动力学故障模型研究

击 函数 的基 础上 建立 含有 单表 面故 障 的滚 动轴 承非
线 性 动力 学 方 程 ，但 是 在 模 型 中没 有 考 虑 载 荷 分
的发生 ，缩短维修时间 ，降低维修成本 ，及时有效 地 诊断 滚动 轴承 集 中式故 障是 非常有 必要 的 ｌ 】 】 。
文献 ［ ２ —３ ］最 早研究 了滚动轴 承集 中式 缺 陷
本 文 详细分 析 了滚 动轴 承的受 力 ，建立 了滚 动轴 承 的非 线性 动力 学模 型 ，并在 次模 型上植 入故 障 后建
立 了故 障模 型 ，最后 通 过直接 求解 滚 动轴 承运 动方 程 的方式 获得 滚动 轴承 最原始 的动力学 仿 真信 号 。
进 行 了分析 ，但 是没 有建 立起 完整 的滚 动轴 承非线 性 动 力学模 型 。文献 ［ ７ —８ ］ 针对 表面 有缺 陷 的滚
部故障的解析模型，用以预测滚动轴承的振动频率
收稿 日期：２ ０ １ ３ － ０ ８ — ３ ０ ；修订 日期 ：２ ０ １ ３ — １ １ １ ２
基 金项 目： 国 家 “ 八六三”计划项 目 （ ２ ０ １ １ ＡＡ１ １ ０ ５ ０ １ ）
参 数主要 包 括 滚 子 的数 量 、滚 子 直 径 、内 圈 直径 、
摘
要 ：在分析滚动轴承载荷分布和判断承压滚 子数量 的基础 上 ，将滚 动轴承 的每个滚 子与 内圈和外 圈之
阻 尼系统 ，根据滚 动轴 承 的物理 结 构 ， 库塔法 进行
问 、外圈与轴承座之问 、内圈 与轴之 间 的关 系均 分别视 为弹 簧一 质量
建立其滚子 与内外圈的接触模型 ，以及在 随机 干扰力 和径 向载 荷力作 用下 的滚 动轴承 非线性 动 力学故 障模 型 。 以内圈表面有划伤缺陷 的滚动轴承为例 ，利用给 出的滚动轴 承非线 性动力学 故 障模 型和 四阶龙格
作者简介 ：梁
瑜 （ １ ９ ８ ４ ） ，男 ，湖北咸宁人 ，博 士研究生 。
第１ 期
滚动轴承的非线性动力学故障模型研究
外 圈 直径 和接触 角 。滚动 轴承 受 到 的外 力 主要 有 ２
个 ：一 个是 轴作 用于 轴承 内圈的径 向载荷 力 ，另一
砌 ）一
Ｆ ｍ ａ ｘ （ 卜
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ，２ ０ １ ４
滚 动 轴 承 的非 线 性 动 力 学 故 障模 型研 究
梁 瑜 ， 贾利 民 ，蔡 国 强 ，刘金 朝 。
（ １ ．北京 交通 大学 交通运输学院 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ； ２ ．北京交通大学 轨道交通安全与控制 国家蓬点实验室 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ； ３ ． 中国铁道科学研究 院 基础 设施 检测中心 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
描 述滚 动轴 承滚 子是 否处 于承 载 区 ，在 设定 缺 陷 冲
此类故障不能监控 ；集 中式故障主要包括滚道或滚
子 表面有 裂 纹 、凹点 和剥落 等 ，发生 此类 故 障的 主 要 原 因为滚 动轴 承长 期运转 所致 ，此 类故 障在 故 障
初 期就 可 以通过监 控诊 断 出来 。为 了预 防更大 故 障
动轴 承建立 了非 线性 动力 学故 障 冲击模 型 ，重点 分
１ 滚动轴承受力分析
滚 动 轴 承 一 般 包 含 下 面 几 个 部 分 ： 内圈 、外
圈 、滚 子和保 持架 。描 述滚 动轴 承特性 的关键 几何
析 了 由模 型得 到 的数 值结 果 ，但是 没有 详细介 绍模 型建 立 的 过 程 和 分 析 影 响模 型 的 因 素 。文 献 Ｅ ９ ２ 提 出 了径 向和 轴 向载荷 下外 圈 、内圈 和单个 滚子 局
故障 诊断仿真 。结果表明 ：当轴承 内圈的表面有缺 陷时 ，其 位移和振 动加速 度信 号明 增 大 ；对此振 动加 速度 信 号进行共振解调后 ，得到 的滚动轴承故障特征频 率与理论 计算结 果一致 ，从 而验证 ｒ滚 动轴承 非线性 动力学
故障模型的有效性 。
关键词 ：滚动轴承模型 ；故障诊断 ；微分方 程 ；共振解调
） … ＜ ｘ （ １ ）
０ ≥
个 是轴 承 座 受 到 的外 力 。 由于 轴 承 座 的 材 料 刚 度
模 型 ，提 出了径 向载 荷下滚 动 轴承 内圈 和滚 子上有
布 。文献 ［ １ １ ］建立 的滚 动轴 承模 型将 故 障点 接触 看 作 ２个球 的弹性赫 兹接 触 ，分析 了参 数对 模 型 的 影 响 ，但没 有 获得 内圈故 障仿 真信 号 的特征 。
到 目， 第１ 期 ２ ０ １ ４年 １月
文章 编 号 ：ｌ Ｏ Ｏ ｌ 一 ４ ６ ３ ２（ ２ ｏ １ ４ ）Ｏ ｌ 一 ０ ０ ９ ８ — ０ ７
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡＩ Ｉ Ｗ ＡＹ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖｏ Ｉ ． ３ ５ Ｎｏ ． １
中图 分 类 号 ：ｕ２ ７ ９ ． ３ ２ ３ 文 献标 识 码 ｉ Ａ
滚动 轴 承的故 障分 为分 布式 和集 中式 。分 布式 故 障主要 来 源 于制 造 误 差 、安 装 不 当 和粗 糙 磨 损 ，
和重要 频率 成分 的幅值 ，但 是 没有 对滚 动轴 承 的受
力 进行 深入 分析 。文 献 ［ １ ０ ］ 分析 了滚 动轴 承在 运 转 过程 中承 载滚 子数 的变 化规 律 ，引入 分段 函数 以
单 个 缺陷 的振 动模型 ，但 是该 模型 只是 简单地 在数
学 上把 滚动 轴 承缺 陷 用 卷 积表 示 出来 。文 献 ［ ４ ～ ６ ］对滚 动轴 承的 弹性 接 触 振 动 和各 类 振 动模 态 的 机 理进 行 了分析 ，对 滚动 轴承 的非 线性 动力学 特性
故 障模 型 的分 析 ，而 忽 视 了建立 轴 承 本 身 的模 型 。