1、第 30 卷第 1 期2023 年 2 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.1Feb.2023不同元件故障状态下滚动轴承的动态特性研究涂文兵，袁晓文，杨锦雯，杨本梦（华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013）摘 要：为探究局部故障状态下滚动轴承内部动态特性的差异性和相似性，以NU306圆柱滚子轴承为研究对象，利用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA构建正常以及外圈、内圈和滚动体分别故障时的有限元模型，得到不同故障状态下滚动体的应力特性、振动特性及运动特性。结果表明，当滚动轴承的不同元件发生故障时，
2、故障前端应力均会滞后，后端应力均会提前，其中外圈故障时应力的变化最大；外圈故障时滚动体在经过故障区域期间的振动加速度先减小后增大，内圈和滚动体故障时振动加速度先增大后减小；外圈和滚动体故障时滚动体的公转转速均比理论公转转速小，内圈故障时滚动体的公转转速比理论公转转速大。所构建的有限元模型可用于探究不同元件故障时滚动轴承内部的故障机理，可为进一步研究滚动轴承的承载能力和使用寿命提供有力的分析方法。关键词：滚动轴承；有限元仿真；局部故障；动态特性中图分类号：TH 133.3 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）01-0082-11Research on dynamic char
3、acteristics of rolling bearing under different component fault conditionsTU Wen-bing,YUAN Xiao-wen,YANG Jin-wen,YANG Ben-meng(School of Mechatronic and Vehicle Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)Abstract：In order to explore the difference and similarity of the internal
4、dynamic characteristics of rolling bearings under local fault conditions,taking the NU306 cylindrical roller bearing as the research object,the finite element simulation software ANSYS/LS-DYNA was used to construct the finite element models under normal,outer ring fault,inner ring fault and rolling
5、element fault.Then,the stress,vibration and motion characteristics of rolling element under different fault conditions were obtained.The results showed that when the different components of the rolling bearing failed,the front end stress could lag,and the rear end stress could advance,and the stress
6、 change in case of outer ring fault was the largest;when the outer ring failed,the vibration acceleration of the rolling element during passing through the fault area decreased first and then increased,while when the inner ring and rolling element failed,the vibration acceleration increased first an
7、d then decreased;the revolution speed of the rolling element was lower than the theoretical revolution speed when the outer ring and the rolling element failed,while the revolution speed was higher than the theoretical revolution speed when the inner ring failed.The constructed finite element model
8、can be used to explore the internal fault mechanism of rolling bearings when different components fail,which can provide a powerful analysis method for further research on the bearing capacity and service life of rolling bearings.Key words：rolling bearing;finite element simulation;local fault;dynami
9、c characteristicsdoi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.011收稿日期：2022-06-10 修订日期：2022-08-08本刊网址在线期刊：http:/ 1 期涂文兵，等：不同元件故障状态下滚动轴承的动态特性研究滚动轴承具有精度高、负载大、磨损小和使用寿命长等优点，被广泛用作旋转机械中重要的基础零部件。据统计，30%的旋转机械故障和44%的大型异步电机故障均是由轴承故障引起的1。轴承的运行状态直接影响机械的使用，轴承故障会造成经济损失甚至危害人身安全。因此，开展轴承动力学建模并对其内部动态特性进行研究，对轴承故障识别有十分重要的现实意义，同
10、时也能为轴承监测系统的研发提供有效帮助。随着计算机技术和弹性接触理论的发展，很多学者开始利用有限元法来求解滚动轴承的振动特性及动态特性。针对正常轴承，林腾蛟等2利用有限元仿真软件建立了深沟球轴承多体动力学模型，研究了不同转速下其滚动体与各元件动态应力及接触力的变化。姚灿江等3通过对RV（rotary vector，旋转矢量）减速器中的滚动轴承进行有限元仿真，分析了该轴承在实际工作中的接触应力和接触变形。针对单一故障轴承，不少学者对其内部动态特性展开了研究。汤武初等4建立了正常和滚动体表面剥落情况下圆锥滚子轴承的有限元模型，研究了滚动体故障时该轴承的等效应力集中位置。He等5采用有限元法建立了存
11、在滚子剥落缺陷的圆柱滚子轴承动力学模型，分析了缺陷滚子和轴承的振动响应以及滚子与保持架的接触力。陈培红6建立了在滚动体破裂、剥落和出现麻点等故障状态下滚动轴承的有限元模型，并与无故障滚动轴承的动态应力和接触力进行了对比分析。Gao等7建立了6206深沟球轴承的动力学模型，模拟了该轴承在滚动体断裂、滚动体剥落和轴承点蚀状态下的有效应力和接触力，并与正常深沟球轴承的接触特性进行了比较。江泽鹏等8建立了盾构主推力滚子轴承有限元模型，研究了转速和轴向载荷对该轴承动态应力的影响。然而，上述学者大多是针对滚动体故障，研究了转速及载荷对滚动轴承动态应力的影响，但忽略了外圈故障对其动态特性的影响。为此，李国超
12、等9建立了滚动轴承外圈裂纹故障有限元模型，分析了外圈故障时轴承各元件的应力。Singh等10利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了外圈故障时滚动轴承的有限元模型，针对滚动体进入和离开故障区域阶段进行了时域和频域处理。Zhang等11运用显式动力学方法模拟了滚动体经过缺陷时滚动轴承缺陷区域的最大Mises应力和最大接触压力，并研究了径向载荷、转速和初始缺陷尺寸对应力的影响。Tang等12建立了缺陷圆柱滚子轴承的有限元模型，计算了缺陷周围的应力分布，得出：随着转子转速的增大，滚子离开缺陷区域时所受的应力增大；径向载荷或缺陷长度的增大会导致所有阶段的应力增大。张志伟13利用ANSYS/LS-DYN
13、A软件对正常和外圈剥落的滚动轴承进行显式动力学求解，分析了正常和外圈剥落时轴承的等效应力云图和切片应力云图。谢向宇等14建立了内圈损伤和正常轴承的有限元模型，并对内圈损伤轴承的应力和位移等动态特性进行了分析。马辉等15建立了圆柱滚子轴承的二维有限元模型，对故障区域单元的等效应力及滚子经过内、外圈局部缺陷区域的过程进行了研究。综上所述，学者们对滚动轴承的仿真主要集中在研究单一故障下故障尺寸、转速及载荷对轴承内部动态特性的影响，而对不同元件在相同条件下出现故障时轴承动态特性之间的差异性和相似性的研究较少。基于此，笔者以NU306圆柱滚子轴承为研究对象，利用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立其有
14、限元模型，并利用显式动力学方法对正常轴承以及具有外圈、内圈和滚动体单一故障的轴承的应力特性、振动特性和运动特性进行动态模拟，以揭示不同元件出现故障时轴承内部动态特性之间的差异性及相似性，旨在为滚动轴承的故障预测及动态性能评估提供理论依据。1 滚动轴承有限元建模 1.1几何参数确定以NU306圆柱滚子轴承为研究对象，其主要的几何参数如表1所示。在该滚动轴承外圈、滚动体及内圈上分别设立1 mm1 mm的贯穿缺陷，分别建立正常和故障轴承的有限元模型。1.2单元类型选择与网格划分在实际工作中，滚动轴承主要承受径向载荷，表1NU306圆柱滚子轴承几何参数Table 1Geometric paramete
15、rs of NU306 cylindrical roller bearing几何参数轴承宽度b/mm轴承内径Di/mm轴承外径Do/mm轴承节圆直径Dm/mm轴承径向游隙cd/m内圈滚道直径di/mm外圈滚道直径do/mm滚动体直径Db/mm滚动体个数Z数值19307251.50.0142.562.51112 83工程设计学报第 30 卷 其所受的轴向作用力较小16。在滚动轴承有限元分析过程中，将模型离散为节点和单元是一个重要步骤。基于体单元的三维有限元模型虽可以精确地描述滚动轴承的振动状态，但其需要的计算内存和时间较多。而基于壳单元的二维有限元模型同样可以精确描述滚动轴承的振动状态，且其单元
16、数和节点数少，只需要较少的计算内存和时间17。基于此，本文采用ANSYS/LS-DYNA软件建立NU306圆柱滚子轴承的二维有限元模型，模型中所有元件均选用Shell 163壳单元进行网格划分，这是因为高质量的四边形单元可以提高模型的精度并缩短求解时间5。而对内、外圈和滚动体的接触区域则采用较密的网格进行划分，这是因为滚动体需要与内、外圈保持连续滚动接触，以便滚道之间传递负载。有限元仿真分析结果的准确性取决于网格划分质量，故需通过不断调整网格尺寸，并观察仿真结果是否满足以下3个条件来确定最佳的网格尺寸：1）在仿真过程中，滚动体与滚道保持连续接触；2）计算精度达到要求；3）因网格划分而产生的振动噪声尽量小。为综合满足上述3个条件，本文选取网格尺寸为1，0.5，0.25 mm进行试算，并对比不同网格尺寸下NU306圆柱滚子轴承滚动体与外圈的接触力，结果如图1所示。从图1中可以看出，网格尺寸较大时接触力曲线不连续，而当网格尺寸小到一定程度（0.25 mm）时，接触力曲线较为光滑，说明此时滚动体与内、外圈可保持连续接触。因此，本文采用0.25 mm的网格对模型进行离散化。为获得准确的动态响应，
