基于ANSYS的深沟球轴承故障诊断与分析
基于ANSYS的深沟球轴承故障诊断与分析
摘要：深沟球轴承是滚动轴承中最为普通的一种类型，深沟球轴承是最常用的滚动轴承，其结构简单、使用方便，主要用来承受径向载荷，但当增大轴承径向游隙时，具有一定的角接触球轴承的性能，可以承受径向和轴向联合载荷；在转速较高又不宜采用推力球轴承时，也可用来承受纯轴向载荷。与规格尺寸相同的其他类型轴承比较，深沟球轴承摩擦因数小，极限转速高，不适宜承受重载荷。本文以深沟球轴承6205-
2RS为例，综合考虑径向载荷及转速对轴承产生的影响，并在分析软件ANSYS中建立深沟球轴承动力接触有限元模型，通过分析计算得出结果。
关键词：滚动轴承；模态分析；故障诊断
一、滚动轴承的振动机理
滚动轴承故障表现形式多样，主要包括疲劳剥落、磨损、变形过大、腐蚀、断裂、胶合、保持架损坏等，而剥落、裂纹、压痕故障均属于疲劳剥落损伤，都是滚动轴承故障中较为常见的。工程实际中，由于滚动轴承破坏形式复杂及安装等方面因素的影响，造成轴承运转过程中的振动信号复杂，由于故障特征的能量微弱，易被其他信号掩没。
滚动体、内圈、外圈和保持架是构成滚动轴承的主要构件，通常情况下，内圈同传动轴的轴颈装配在一起并随轴一同运转，与此同时，外圈与轴承座孔等支撑元件装配在一起，一般保持固定。但也有其它安装形式，如外圈回转、内圈固定或内外圈以不同转速回转。滚动体作为滚动轴承核心元件，由于滚动体的作用，轴承内相对运动表面间的滑动摩擦变成为滚动摩擦，滚动体的常见的类型有：圆柱形、锥柱形、球形和鼓形。而滚动轴承的内圈、外圈上有凹槽滚道，有时外圈被叫作内滚道，内圈被称作外滚道，四槽滚道的主要作用是限制轴承轴向移动，在一定程度上降低接触应力。一般滚动轴承中，保持架的作用是将滚动体以等间距隔开，防止滚动体掉落，防止运行中的滚动体间相互碰撞，延长滚动体寿命，
倘若保持架失效，将会导致滚动体相互碰撞和接触，相对摩擦速度是表面速度两倍，导致发热和磨损加剧。在轴承实际运行过程中，滚动轴承振动的产生机理受轴承内外部因素影响。因内部因素主要有：轴承结构特点、轴承零件制造和装配误差、运行中产生的故障等；外部因素主要有：传动轴上其它零部件的运动或力的作用等。轴承系统一般由轴承、轴承座或外壳构成，轴承系统的传动轴在一定载荷作用下，当以一定速度旋转时，将会对轴承系统产生激励，并促使其振动。
二、深沟球轴承三维模型
1、6205-2RS深沟球轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈与轴颈进行装配，外迁与轴承座进行装配。工作时，外圈在多数情况下保持不动，而内圈随轴转动。滚动体作为滚动轴承的核心元件，其主要作用使运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。6205-2RS深沟球轴承的几何参数主要有：轴承节径D=39.04mm；滚珠直径d=7.94mm；滚动体个数Z=9（滚珠的数目）；接触角为0。通过三维制图软件UG分别对内圈、外圈、滚珠和保持架进行建模，并完成深沟。
2、特征频率分析。深沟球轴承的滚球个数 N=9 ，滚珠直径 d=7.94mm ，轴承的节径为
D = 39.04mm ，接触角α=0。当轴承工作转速n=1750转/分时，由滚动轴承的理论特征频率计算公式可得：
（1）轴承内圈故障频率
（2）轴承外圈故障频率
（3）轴承滚珠单故障频率
（4）轴承保持架故障频率
三、基于ANSYS的模态分析及谐响应分析
1、深沟球轴承的模态。模态分析即自由振动分析，主要用于确定结构和机器零部件的固有频率和振型，同时模态分析也是谐响应分析、瞬态动力学分析等动力学分析的基础。用模态分析可以确定一个结构。模态分析主要是将线性系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，是方程组解耦，成为以模态坐标及模态参数为参数的独立方程，以便求得系统的模态参数。模态分析的最终目标是识别出系统
的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据[1]。对6205-2RS深沟球轴承，利用有限元分析软件ANSYS Workbench来完成其模态分析。
（1）有限元计算。利用Geometry中的 Import Geometry命令，在对话框中导入利用UG建立好的轴承总装图。采用自动划分法对轴承进行网格划分，网格划分设置单元尺寸为1mm。
2、谐响应分析。谐响应分析是用于确定线性结构在承受一个或多个随时间按正弦规律变化的载荷时稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在频率下的响应并得到一组响应值与频率之间的曲线。谐响应分析技术只计算结构的稳态受迫振动，对于在激励开始阶段发生的瞬态振动则不考虑。通过关联的数据共享，轴承谐响应分析与轴承模态分析共享其材料库设置、网格划分、固定约束。
（1）施加载荷。由于与模态分析相关联的数据，谐响应分析直接从施加载荷开始设置，为模型内圈添加20000Pa的载荷。
（2）求解。分别针对X轴、Y轴和Z轴进行谐响应分析。由谐响应分析结果可得，当轴承在正常工况下运转时，对于X轴方向和Z轴方向，随着频率的增大，变形的幅度也开始增大；当频率到达25000HZ之后，变形的幅度开始增大；当频率达到轴承六阶固有频率27422HZ附近时，变形的幅度达到最大。对于Y轴方向，在到达变形幅度最大之前，有两次明显的变形，分别在16000HZ和21500HZ附近。滚动轴承的特点
3、基于MATLAB的傅里叶变换。傅里叶变换是信号处理的基础，通过傅里叶变换可以获取信号的频谱信息，使频域信号处理更为方便、直观。信号的傅里叶变换建立了信号的时域和频域之间的一一对应关系，拓展了信号系统表示的空间，为信号与系统的频域分析提供了理论基础。基于 MATLAB 的傅里叶变换主要针对于滚珠进行双普特征分析，实验条件为：转速 1796 转/分；滚珠0.07英尺故障；122571个数据点。实验结果将采样得到的数据，对已有数据进行傅立叶变换，得到轴承振动信号频谱图。但是由于处理后的频谱谱线不清晰，也不精确，且理论计算得到的故障频率值均较小，从中可以看到，被测轴承在低频段振动中，特征频率为120Hz，其中2次谐波为147.7Hz，对照之前计算得到的各部分故障频率可知故障出现在驱动端轴承滚珠上。
本文首先采用三维软件UG对需要分析的深沟球轴承进行建模，然后通过对扰动频率进行计算，求得轴承各组成部件的理论失效频率。根据有限元分析方法对6025-2rs深沟球轴承进行了模态分析和谐响应分析。通过模态分析，通过谐响应分析主要分析了频率下轴承的变形，得到相应的幅频特性和相频特性曲线。轴承在正常工况下，随着加载频率增大，在轴承固有频率附近达到最大变形。通过 MATLAB 的数据，并对低频段进行频谱细化，从而可以直观地得到其故障频率，并与之前得到的各组件理论失效频率，可以发现该轴承失效部件为滚珠，与实际情况相符，从而证明此种轴承失效诊断方法的有效性。
参考文献：

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