[发明专利]一种滚动轴承‐转子系统损伤振动响应定量计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及轴承-转子系统领域，尤其涉及一种滚动轴承-转子系统损伤振动响应定量计算方法。 

背景技术：

滚动轴承-转子系统是旋转机械设备中应用非常广泛的一种结构形式，是整个设备的核心部件。在滚动轴承-转子系统中，滚动轴承属于薄弱环节。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约30%的机械故障是由于滚动轴承的损坏造成的。轴承出现损伤后将会有明显的振动，通常可以通过采集并分析振动信号来提取轴承故障特征，这方面的研究较多，并有成熟的商业解决方案。然而，在滚动轴承-转子系统的损伤仿真方面，研究还相对较少，导致故障机理认识不深，难以实现定量诊断。 

从现有检索文献发现，对于轴承损伤振动响应的仿真通常采用两种思路。一是对轴承施加一系列连续等间隔的脉冲力来模拟滚动体每一次通过损伤区域的情形，McFadden和Smith把轴承单点损伤建模成由一个冲击函数表示的脉冲力（McFadden, P. D., Smith J. D.. Model for the Vibration Produced by a Single Point Defect in a Rolling Element Bearing[J]. Sound Vib.,1984, 96: 69–82.），之后又根据此方法研究了滚动轴承内圈上的多点缺陷振动响应；第二种思路是建立轴承或轴承-转子动力学模型，并根据缺陷特征用合理的模型来描述滚动体通过损伤区域的情形，之后通过求解动力学模型来获得轴承损伤振动响应，比如Kankar，Sharma等建立一个2自由度轴承动力学模型来研究损伤轴承的非线性振动响应（P.K. Kankar, Satish C.Sharma, S.P. Harsha. Vibration based performance prediction of ball bearings caused by localized defects[J]. Nonlinear Dyn, 2012, 69:847–875），大多数文献均采用了2自由度或3自由度轴承模型来预测轴承的损伤振动响应，这与实际有一定的差距，仿真结果往往不够准确，并且无法定量仿真损伤面积大小对振动响应的影响；此外，多数模型将轴承独立出来研究，很少有研究将轴承和转子作为一个耦合系统，研究轴承损伤发生后整个系统的振动响应产生与传递规律。 

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种基于动力学模型的滚动轴承-转子系统损伤振动响应定量计算方法，能够定量计算轴承内圈或外圈缺陷引起的振动响应，为转子-轴承系统的故障机理分析和诊断提供依据。 

为达到以上目的，本发明的技术方案为： 

包括以下步骤： 

1）获取轴承-转子系统的结构参数和初始参数,所述结构参数包括轴承参数、子部件的几何尺寸、材料特性参数以及损伤特征参数；初始参数包括轴承-转子系统的外力矢量、转子转速； 

2）根据所述轴承参数建立五自由度轴承模型，获取轴承-转子系统的轴承刚度矩阵；根据子部件的几何尺寸、材料特性参数，建立有限元模型，获取转子的刚度矩阵、转子的陀螺矩阵、离心力引起的等效质量矩阵； 

3）建立轴承-转子系统的动力学模型； 

所述轴承-转子系统动力学模型为： 

Mx··+Cx·+Kx=F---(1)]]>

式中，和x分别为轴承-转子系统的加速度、速度和位移振动响应，F为轴承-转子系统的外力矢量；M、C和K分别为轴承-转子系统的质量、阻尼和刚度矩阵； 

其中： 

C=C_D-ΩG      (2) 

K=K_S+K_B-Ω²M_C