基于ANSYS的深沟球轴承模态分析

李会兰 万云

摘要：旋转机械系统故障问题出现次数越来越频繁，其中大部分故障是由轴承故障引起的，其中滚动轴承故障引起的旋转机械系统故障最为常见。故本文以6205-2RS深沟球轴承为研究对象，运用CATIA三维软件建立深沟球轴承的三维模型，通过有限元ANSYS分析软件对其进行模态分析，利用ANSYS分析深沟球轴承模态得到其前六阶固有频率，以及各阶频率下轴承的变形量。分析结果表明，轴承在正常工况下，随着加载频率增大，变形幅度增大，在轴承固有频率附近达到最大变形，轴承内圈的故障振动频率与轴承内圈的正常振动频率相比，会在幅频特性曲线图中出现有规律的尖点。

Abstract： The number of failures of rotating machinery system is more and more frequent. Most of the faults are caused by bearing faults. The faults of rotating machinery system caused by rolling bearing faults are the most common.6205-2RS deep groove ball bearing is the research object， this paper uses CATIA to build three-dimensional model of deep groove ball bearings. This paper uses the finite element analysis software ANSYS to carry on the modal analysis， and gets the first eight natural frequencies and the deformation of each order frequency bearing. The analysis results indicate that the normal bearing and fault bearing in normal condition， with the increase of loading frequency， deformation increased， reached the maximum deformation in the vicinity of the natural frequency of the bearing， compared to normal bearing vibration frequency， regular cusps appear in the amplitude frequency characteristic curve for the inner ring of the bearing fault vibration frequency.

关键词：深沟球轴承;故障;频率分析;模态分析

Key words： deep groove ball bearing;fault;frequency analysis;modal analysis

中图分类号：TH133.33                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0056-02

0  引言

目前故障诊断技术发展迅速，但是滚动轴承的故障监测方法相比于其它的零部件故障监测方法还相对落后，为了降低因滚动轴承故障引起事故的可能性，研究一种经济、有效的滚动轴承诊断监测方法至关重要[1]。

本文以深沟球轴承为研究对象，运用CATIA三维软件建立深沟球轴承的三维模型;通過ANSYS有限元分析软件对其进行模态分析[2]，利用ANSYS分析深沟球轴承模态得到其前六阶固有频率[3]，以及各阶频率下轴承的变形云图，并寻找其最大变形量;在轴承内圈切一个小槽，使其在转速为1750转/分、内圈转矩为100N·mm、外圈固定的工况下，对有缺痕轴承利用ANSYS做谐响应分析[4]，得出轴承的幅频曲线，最后与计算值进行对比，得出结论。

1  基于CATIA三维建模

在CATIA环境中对轴承建模，轴承参数见表1。

根据表1的参数，将滚珠、保持架、内圈、外圈四部分导入新建装配体中，得装配图如图1所示，完成轴承的结构设计。

2  零件固有频率理论计算

2.1 轴承内圈故障频率

2.2 轴承外圈故障频率

2.3 轴承滚珠故障频率

2.4 零件故障频率表

轴承工作时的转速为1750转/分，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，由公式计算得到各部件理论故障频率如表2。

3  基于ANSYS模态分析

3.1 材料设置

提取ANSYS的modal模块，添加在Engineering Data中添加材料H62和GCr15两种材料，设置GCr15密度7800kg/m^3，弹性模量为2.08E+11pa，泊松比为0.3;设置H62的密度为8500kg/m^3，弹性模量为1E+11pa，泊松比为0.346。

3.2 网格划分

网格单元类型采用自动划分，单元大小设置为2mm，网格划分如图2。

3.3 添加约束

轴承工作时内圈转速为1750r/min，外圈外表面B固定，在Analysis Setting中设置求解前六阶固有频率，约束如图3。

3.4 模态分析结果

在Solution中选择Total Deformation，求解得到轴承前六阶固有频率，如图4、图5所示。

同时得到前六阶固有频率下的轴承变形量，在此列出第二阶固有频率下的轴承变形图，最大变形量为0.20269mm，如图6所示。

4  轴承谐响应分析

4.1 约束添加

对上述的的深沟球轴承的内圈切一个小槽，形成有缺陷的轴承，对轴承进行谐响应分析与无缺陷轴承模态分析的材料设置、网格划分、模态约束相同，再添加谐响应约束，轴承工作时内圈受转矩为100N·mm，如图7所示。

4.2 谐响应分析結果

在Analysis Setting中设置频率边界为0-1000Hz，响应阶数为50，在Solution（C6）中添加Total Deformation和Frequency Response并求解，得到幅频特性曲线如图8。

得到轴承内圈转矩为100N·mm工况下变形如图9。

根据谐响应分析结果，可知轴承在正常工况下，在轴承固有频率范围之内，随着加载频率增大，变形幅度增大，在频率为632Hz附近时幅值增到最大，与计算出的内圈故障频率656.95Hz相接近，故判定为内圈故障。

5  结论

①用ANSYS有限元分析软件对深沟球轴承进行模态分析，得到前六阶固有频率下的轴承变形云图，在第二阶固有频率647Hz频率下的轴承达到最大变形，变形量为0.20269mm。②给轴承内圈切一个小槽，对其进行谐响应分析。谐响应分析结果显示，轴承在正常工况下，且小于轴承固有频率时，随着加载频率增大，变形幅度增大;在频率为632Hz附近时幅值增到最大，与计算出的内圈故障频率656.95Hz相接近，故判定为内圈故障。

参考文献：

[1]沈明明，李荣，刘祖国，等.数控机床轴承结构振动谐响应及疲劳寿命研究[J].组合机床与自动化加工技术，2019（011）：143-147.

[2]邱海飞.SKF6208滚动轴承动力学建模与仿真研究[J].现代制造工程，2019（012）：112-116.

[3]张丹，隋文涛，宋汝君，等.变分模态分解及其在轴承故障分析中的应用[J].机床与液压，2019，047（017）：212-215.

[4]范广宇，张文博.深沟球轴承的动态特性分析[J].内燃机与配件，2019（008）：44-46.