這篇工業技術論文發表了深溝球軸承故障診斷，隨著應用市場的擴大，對軸承的品質要求越來越高，軸承在現代化工中處于重要地位，分析了基于ANSYS的模態分析及諧響應，通過分析得出以下結論。

　　【摘要】滾動軸承是應用極其廣泛的機械支承，一般由內圈、滾珠、保持架、外圈組成。軸承性能的優劣及壽命的長短直接影響到機器的工作能力。因此，對軸承的監測與故障診斷十分重要。在滾動軸承當中，深溝球軸承具備使用量大、生產工藝成熟、結構簡單等特點。因此，本文選用深溝球軸承作為研究對象，建立深溝球軸承的三維有限元模型，再通過有限元分析軟件ANSYSWorkbench，建立深溝球軸承的分析模型。通過加載載荷和邊界條件，對其進行靜力學接觸分析，得出軸承承載過程中的應力和變形趨勢及接觸應力的變化規律。最后用MATLAB對一組故障信號數據進行傅立葉變換，分析其故障頻率并與理論計算結果進行對比，驗證傅立葉變換在故障診斷中的有效性。

　　【關鍵詞】工業技術論文,深溝球軸承,故障診斷,有限元分析,傅里葉變換

　　1引言

　　現如今軸承應用于各個行業中，尤其是在現代化工業中處于重要地位。目前隨著現代化工業的發展，大量的機械設備投入使用。由于操作不當等因素，導致機械設備等故障問題越來越多，其中由于軸承故障引起的故障問題占很大比例。據有關統計，在旋轉機械所發生的故障中，因滾動軸承引起的主要故障，占到故障原因的30%。滾動軸承在運轉的過程中，由于各種內在因素和外在因素導致軸承的損壞。例如裝配過程中的錯誤操作、定期維護導致的磨損、潤滑條件的改變以及外加載荷的周期性改變或突變等。此外，當設備長時間運轉后，對軸承的磨損也是相當嚴重的。在對設備常規的維護下，對軸承的使用接近軸承的設計使用壽命時，軸承的正常磨損也可能引起軸承故障[1-4]。為保證滾動軸承的正常、高效的運轉，對滾動軸承的檢測和診斷必不可少。而其中對故障信號的分析和處理是核心內容，其對滾動軸承診斷的準確性和可靠性有著十分重要的作用。常用的故障信號處理技術主要包括故障信號檢測技術和故障信號分析技術兩個部分。測量的信號主要為振動、噪聲、溫度、壓力、電流、電壓等信號中的一種或幾種。故障信號分析處理是對檢測到的各種狀態信息進行加工、變換,從而對滾動軸承可能發生的故障進行預測，以提前采取準備工作[5]。本文以深溝球軸承6205-2RS為例，綜合考慮徑向載荷及轉速對軸承產生的影響，并在分析軟件ANSYS中建立深溝球軸承動力接觸有限元模型，通過分析計算得出結論。整體結構框架圖如圖1所示。

　　2深溝球軸承三維模型的確立

　　6205-2RS深溝球軸承由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。內圈與軸頸進行裝配，外遷與軸承座進行裝配。工作時，外圈在多數情況下保持不動，而內圈隨軸轉動。滾動體作為滾動軸承的核心元件,其主要作用使運動表面間的滑動摩擦變為滾動摩擦。6205-2RS深溝球軸承的幾何參數主要有:(1)軸承節徑D=39.04mm;(2)滾珠直徑d=7.94mm;(3)滾動體個數Z=9(滾珠的數目);(4)接觸角為0。通過三維制圖軟件UG分別對內圈、外圈、滾珠和保持架進行建模，并完成深溝球軸承整體的裝配圖。各部件以及整體裝配圖如圖2至圖6所示。

　　3特征頻率分析

　　深溝球軸承的滾球個數N=9，滾珠直徑d=7.94mm，軸承的節徑為D=39.04mm，接觸角α=0。

　　4基于ANSYS的模態分析及諧響應分析

　　4.1深溝球軸承的模態分析模態分析即自由振動分析，主要用于確定結構和機器零部件的固有頻率和振型，同時模態分析也是諧響應分析、瞬態動力學分析等動力學分析的基礎。用模態分析可以確定一個結構[6]。模態分析主要是將線性系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，是方程組解耦，成為以模態坐標及模態參數為參數的獨立方程，以便求得系統的模態參數。模態分析的最終目標是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報、結構動力特性的優化設計提供依據[7]。對于本文研究的6205-2RS深溝球軸承，利用有限元分析軟件ANSYSWorkbench來完成其模態分析。4.1.1有限元計算利用Geometry中的ImportGeometry命令，在對話框中導入利用UG建立好的軸承總裝圖[8]。采用自動劃分法對軸承進行網格劃分，網格劃分設置單元尺寸為1mm，如下圖7所示。4.1.2有限元仿真計算結果采用默認設置，求解模型的前六階模態，得到的前六階模態振型如圖9至圖14所示。4.2諧響應分析諧響應分析是用于確定線性結構在承受一個或多個隨時間按正弦規律變化的載荷時穩態響應的一種技術。分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應并得到一組響應值(通常是位移)與頻率之間的曲線。諧響應分析技術只計算結構的穩態受迫振動，對于在激勵開始階段發生的瞬態振動則不考慮。通過關聯的數據共享，軸承諧響應分析與軸承模態分析共享其材料庫設置、網格劃分、固定約束，如圖15所示。4.2.1施加載荷由于與模態分析相關聯的數據，諧響應分析直接從施加載荷開始設置，為模型內圈添加20000Pa的載荷，如圖16所示。4.2.2求解分別針對X軸、Y軸和Z軸進行諧響應分析，求解結果如圖17至圖22所示。其中，圖17和18表示X方向的幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖;圖19和圖20表示Y方向的幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖;圖21和圖22表示Z方向的幅頻特性曲線圖和相頻特性曲線圖。由諧響應分析結果可得，當軸承在正常工況下運轉時，對于X軸方向和Z軸方向，隨著頻率的增大，變形的幅度也開始增大;當頻率到達25000HZ之后，變形的幅度開始增大;當頻率達到軸承六階固有頻率27422HZ附近時，變形的幅度達到最大。對于Y軸方向，在到達變形幅度最大之前，有兩次明顯的變形，分別在16000HZ和21500HZ附近。

　　5基于MATLAB的傅里葉變換

　　傅里葉變換是信號處理的基礎，通過傅里葉變換可以獲取信號的頻譜信息，使頻域信號處理更為方便、直觀。信號的傅里葉變換建立了信號的時域和頻域之間的一一對應關系，拓展了信號系統表示的空間，為信號與系統的頻域分析提供了理論基礎。也就是說在分析信號和系統時，不僅可以對其進行時域分析，也可以根據需要對其進行頻域分析。信號的頻域分析比時域分析具有更加清晰的物理概念和深刻含義。根據美國CaseWesternReserveUniversity電氣工程實驗室的滾動軸承故障模擬實驗臺采集的軸承數據進行MTLAB雙譜特征分析。本次基于MATLAB的傅里葉變換主要針對于滾珠進行雙普特征分析，實驗條件為：(1)轉速1796轉/分;(2)滾珠0.07英尺故障;(3)122571個數據點。實驗結果如圖23所示。首先將采樣得到的數據繪制到一幅圖上，如圖23所示。之后對已有數據進行傅立葉變換，得到軸承振動信號頻譜圖。但是由于處理后的頻譜譜線不清晰，也不精確，且理論計算得到的故障頻率值均較小，因此對圖23所示頻譜圖進行低頻段局部頻譜細化分析，得到如圖24和25所示低頻段振動頻譜圖，從圖中可以看到，被測軸承在低頻段振動中，特征頻率為120Hz，其中2次諧波為147.7Hz，對照之前計算得到的各部分故障頻率可知故障出現在驅動端軸承滾珠上。

　　6總結

　　本文首先采用三維軟件UG對需要分析的深溝球軸承進行建模，然后通過對擾動頻率進行計算，求得軸承各組成部件的理論失效頻率。之后根據有限元分析方法對6025-2rs深溝球軸承進行了模態分析和諧響應分析。通過模態分析，得到了前6階固有頻率及各階變形。通過諧響應分析主要分析了不同頻率下軸承的變形，得到相應的幅頻特性和相頻特性曲線。軸承在正常工況下，隨著加載頻率增大，在軸承固有頻率附近達到最大變形。通過MATLAB的數據分析功能對美國CaseWesternRe-serveUniversity電氣工程實驗室的滾動軸承故障模擬試驗臺采集的軸承故障數據進行傅立葉變換得到試驗數據的頻譜圖，并對低頻段進行頻譜細化，從而可以直觀地得到其故障頻率，并與之前得到的各組件理論失效頻率進行對比，通過對比可以發現，該軸承失效部件為滾珠，與實際情況相符，從而證明此種軸承失效診斷方法的有效性。

　　參考文獻

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　　[6]凌桂龍.ANSYSWorkbench15.0從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2004.

　　[7]裴興林,劉書巖.基于ANSYS的深溝球軸承接觸應力有限元分析[J].新技術新工藝,2010,8:5-7.

　　[8]張福星,鄭源.基于ANSYSWorkbench的深溝球軸承接觸應力有限元分析[J].機械設計與制造,2012,10:222-224.

　　作者：吳俊 單位：重慶交通大學

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