[发明专利]一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法

权利要求书

1.一种滚动轴承外圈缺陷全尺寸定量诊断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

步骤1 初步诊断滚动轴承外圈缺陷的基本尺寸和可选尺寸，

将一对振动加速度传感器分别安装至轴承座的水平测点和垂直测点，测取轴承系统含故障时的垂直方向振动加速度信号a_y(t)和水平方向振动加速度信号a_x(t)；将垂直方向振动加速度信号a_y(t)和水平方向振动加速度信号a_x(t)导入至计算机，绘制垂直方向振动加速度信号a_y(t)的时域波形图，以时域波形图中的低频冲击点为起点，高频冲击点为终点，量取双冲击时间间隔ΔT，则诊断出外圈缺陷的基本尺寸Δφ_b为：

Δφ_b＝360ΔTf_c (1)

其中，f_c为保持架转频，初步诊断外圈缺陷的n个可选尺寸为：

其中N_b为滚珠数量，n＝0,1,2,...,INT[(0.33-ΔTf_c)N_b]；

步骤2 建立含外圈缺陷轴承系统多自由度非线性动力学模型，

将轴承系统分解为轴、轴承内圈、滚动体、保持架、轴承外圈和轴承座；将轴与内圈表示为一个集中质量的刚体m_i，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟轴与内圈的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为k_ix和c_ix，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为k_iy和c_iy；将轴承座与外圈表示为一个集中质量的刚体m_o，以一对相互垂直的弹簧阻尼器模拟外圈与轴承座的弹性变形，水平方向的刚度和阻尼系数分别为k_ox和c_ox，竖直方向的刚度和阻尼系数分别为k_oy和c_oy；以水平向右为起始位置，按逆时针顺序对滚珠进行编号，并以符号j表示滚珠的编号，则第j颗滚珠处的赫兹接触力F_j表示为：

其中K为赫兹接触刚度；δ_j为第j颗滚珠的接触变形；外圈缺陷有效深度轮廓d(φ_j)表示为：

其中φ_f为外圈缺陷的角位置，h为缺陷深度，r_b为滚珠半径，R_o为外滚道半径，Δφ_p为缺陷展开角，φ_j为第j颗滚珠的角位置；

将外圈缺陷模型添加到轴承系统动力学模型中，推导出系统的动力学微分方程组；

步骤3 仿真滚动轴承外圈缺陷角位置φ_f＝270°时轴承系统振动加速度和固有频率，

由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，基于MATLAB软件编制数值求解程序，获得φ_f＝270°时可选尺寸Δφ_n对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a'_y,n(t)和a'_x,n(t)，以及前四阶有阻尼时变固有频率：两个x方向固有频率ω_x1,n(t)、ω_x2,n(t)，两个y方向固有频率ω_y1,n(t)、ω_y2,n(t)；对a'_y,n和a'_x,n进行傅里叶变换，获得幅值谱A'_x,n(f)和A'_y,n(f)；在幅值谱A'_x,n(f)中，分别找出固有频率ω_x1,n(t)和ω_x2,n(t)附近的频率峰值f'_x1,n和f'_x2,n；在幅值谱A'_y,n(f)中，分别找出固有频率ω_y1,n(t)和ω_y2,n(t)附近的频率峰值f'_y1,n和f'_y2,n；

步骤4 诊断角位置φ_f＝270°处的滚动轴承外圈缺陷尺寸，

若已知缺陷角位置φ_f＝270°，则将步骤1中的实测垂-平同步信号进行傅里叶变换，获得实测垂-平同步信号的幅值谱A_x(f)和A_y(f)；在幅值谱A_x(f)中，分别找出固有频率ω_x1,n(t)和ω_x2,n(t)附近的频率峰值f_x1和f_x2；在幅值谱A_y(f)中，分别找出固有频率ω_y1,n(t)和ω_y2,n(t)附近的频率峰值f_y1和f_y2；计算诊断参数Δf_n：

由公式(5)求解出|Δf_n|取最小值时n的取值n_f，则诊断外圈缺陷尺寸为：

步骤5 诊断缺陷角位置φ_f＝250°～290°时的滚动轴承外圈缺陷尺寸，

若未知缺陷的角位置φ_f，则根据步骤3中所求解的φ_f＝270°时可选尺寸Δφ_n对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a'_y,n(t)和a'_x,n(t)，计算最大垂-平同步标准差：

其中，N为数据点数；再由步骤2中所建立的系统动力学微分方程组，仿真求解φ_f＝250°时可选尺寸Δφ_n对应的系统垂-平同步仿真振动加速度信号a”_y,n(t)和a”_x,n(t)，并计算最小垂-平同步标准差：

建立外圈缺陷全尺寸定量诊断标准数据库：

该数据库包含n个不相交的区间；计算实测含故障信号的垂-平同步标准差：

由公式(9)和(10)的计算结果，确定σ_y/x的归属区间，设此区间对应的n的取值为N_r，则诊断出外圈缺陷尺寸为：