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球轴承振动的非线性模型及信号分析方法研究

杜秋华  
【摘要】: 随着人们对噪声的日益关注,与噪声直接有关的振动已上升为球轴承的第一重要质量指标,轴承制造厂商也将振动列为必测参数,并且振动是轴承的结构、加工质量、清洁度、润滑状况以及装配质量等多种因素的综合反映。为此,本文从理论及实践上对球轴承(主要是深沟球轴承和角接触球轴承)振动模型的建立、振动信号分析及制造缺陷的诊断进行了研究。 首先,在讨论球轴承的润滑特性以及Hertz接触特性的基础上,利用牛顿力学第二定律建立了在联合载荷作用下球轴承5自由度的非线性振动模型,在建立模型的同时还考虑了波纹度、润滑等因素的影响。在已建的振动模型的基础上,推导出了球轴承的刚度表达式。考虑工业现场测振的实际情况,本文继而建立了球轴承3自由度非线性模型,采用数值的方法得到了球轴承径向(y方向)振动速度信号的数值解,并通过了实验结果的验证。据此模型,从理论上探讨了波纹度、缺球、钢球直径变动量等典型分布式缺陷对球轴承振动的影响,并与实际测得轴承振动信号进行了比较。为方便分析球轴承振动的非线性特性,定量地考察各因素对轴承振动系统参数、特别是对固有振动基频的影响,本文将球轴承振动模型简化为2自由度的非线性振动模型,采用泰勒公式对方程含分数指数的项分别进行了二阶、三阶展开,将球轴承振动方程化为只含整数指数的非线性微分方程组。进而采用摄动法求解非线性微分方程组,得到了球轴承振动的近似解的表达式及基频的表达式。据此,从理论上分析了球轴承振动的非线性特性,并用实际的实验数据进行了验证。分别采用线性模型和非线性模型,对球轴承振动的基频进行了计算,并详细的讨论了各种因素对球轴承振动基频的影响。 为对球轴承的振动信号进行有效的分析,本文采用经验模式分解对球轴承实际振动信号进行分析。在介绍经验模式分解的一般过程的基础上,提出了局部均值算子概念,由此概念推导出了经验模式分解的一般表达式。对经验模式分解应用过程中遇到的过分解问题进行了研究,并将经验模式分解与离散小波分解进行了详细的比较。根据球轴承振动信号的特点,在振动信号分析中选择了合适的终止条件及减少边界效应的方法,采用经验模式分解成功地将球轴承的结构振动分离开来;在缺陷诊断中将经验模式分解得到的钢球通过振动的盒维数作为判断分布式缺陷的特征量,实现了对分布式缺陷的诊断。


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