滚动轴承教学实验设备实验与应用

李 峥， 李 政，2， 王 旭，2， 明安波，2， 卢文秀， 褚福磊

（1.清华大学机械工程系，北京100084；2.火箭军工程大学导弹工程学院，西安710025）

0 引 言

轴承系统仿真试验台在科研和教学中十分常见，它多用于转子系统（轴承、齿轮）的动力学研究和动力学结构的课程演示，而在这些试验台的设计中常见的多为正常完好的轴承，忽略了各种形式轴承故障的出现，导致在实验教学过程中，一些故障现象无法进行解释，对轴承动力学结构的理解不够深入，甚至和理论结果以及课程学习内容对比出现比较大的偏差。实际上，对故障轴承的动力学研究、实验现象的观测以及实验信号的识别分类等工作在实验教学过程中有着更为重要的作用。为此，本文开发了轴承故障诊断实验平台，为研究生更好地展示轴承的动力学特性［1-6］。

1 试验台

实验装置由不同故障尺寸的点蚀故障轴承、剥落故障轴承、线切割故障轴承、正常轴承组成。图1 和图2 分别是故障轴承和轴承故障诊断实验装置的实物图。教学设备核心部件由电动机、支撑轴承、轴、偏心盘以及底座固定平台等组成。其中电动机转速最高可以达到6 000 r／min，与其配套的控制软件可以调节恒定转速、变转速、正反向旋转等模拟多种转速工况。采集系统为设备自带的软件，传感器为ICP 型3056B1，灵敏度为10 mV／g。轴承选用的是SKF6204。在实验中为了得到更为精确的试验结果以及便于后期数据处理，采集频率设置为51.2 kHz［7-10］。

图1 试验设备

2 试验件各种参数

设计实验所采用的是skf6204 型轴承，外圈直径D＝47 mm，内圈直径d ＝20 mm，节径43.5 mm，滚动体直径B ＝14 mm，滚珠个数N ＝11。根据产生故障的大小，在轴承外圈上利用电火花加工周向长度LD分别为1、1.3、3 mm的点蚀故障缺陷，位于轴承外圈6 点钟方向。如图2 所示。

图2 轴承外圈点蚀故障

3 实验轴承运动分析

典型的滚动轴承结构尺寸如图3 所示。图中：Do为外圈滚道直径；D 为轴承滚道（保持架）直径；Di为内圈滚道直径，Di＝D－dcos α；Do＝D ＋dcos α，d为滚动体直径；α为接触角。

图3 典型滚动轴承结构

试验台轴承是外圈固定，内圈转动，如图4 所示滚动轴承旋转情况，此时轴承内圈的旋转频率为fn。

内圈滚道的切线速度为

认为滚珠为纯滚动，无打滑现象，所以A 的速度为vA＝vi。又因外圈固定，所以滚动体与接触点D 的速度为vD＝0。而滚动体中心B 的速度（即保持架的速度）为

保持架相对于外圈的旋转频率为

假定内圈不转，外圈滚动，可得图5 所示的运动分析图。

图4 外圈固定滚动轴承运动分析

图5 内圈固定滚动轴承运动分析

此时A点的切线速度为

B点的线速度也是保持架的速度，即

保持架相对于内圈旋转的频率为

滚珠相对于内圈的旋转频率为

滚珠相对于外圈的旋转频率为

4 实验轴承特征频率分析

对于角接触轴承，当外圈固定不动时，不同轴承故障的理论故障特征频率为：

外圈故障特征频率

内圈故障特征频率

滚动体故障特征频率

5 实验研究与信号分析处理

加速度传感器通过螺纹连接到轴承座上，X／Y 两个方向测得的振动信号经电荷放大器，由装在计算机上的软件VQpro进行分析与处理。传感器位置如图6所示。轴承座上下通过螺栓规定，可以拆卸，以便更换不同故障类型的轴承。通过设备的激光转速仪，测定设备转速信号。

图6 传感器在轴承座上的安装位置

下面采集转子系统在不同故障参数下的振动信号［10-11］。转子转轴长度L ＝36 cm，为了使临界转速增大，将左端轴承置于转轴中央，转盘质量Mrp＝6 kg，现将故障轴承安置于转子系统右端，保持外圈与轴承座固定，内圈随着旋转轴一起旋转。为了观察转子在低速和高速转动时缺陷长度对系统的振动响应的区别，设定旋转频率fr分别为10、30 和60 Hz，分别测得轴承缺陷周向长度LD＝1.0、1.3、2.0 mm时轴承-转子系统的振动响应，如图7 ～9 所示。

图7 旋转频率fr ＝10 Hz时振动响应

图8 旋转频率fr ＝30 Hz时振动响应

图9 旋转频率fr ＝60 Hz时振动响应

通过上述采集的不同频率、大小的故障的振动响应，经分析处理后得出如下结论：随着旋转频率和故障缺陷尺寸的增加，由轴承故障造成的振动幅度会加剧，符合了试验台设计的要求。由上述所测的振动信号图形中可以看出，时域图中转子每旋转一圈即产生一个冲击响应，在位移频谱图中能够很清晰地看出系统的旋转频率大小，在加速度频谱图中，能量分布杂乱，低频区以转频fr及其高阶谐波为主。在倒频谱中，故障特征频率及其与转频的交叉以及倍频处具有幅值较大的离散谱线［11-17］。

6 结 语

清华大学研究生课程“机械振动”“转子动力学”以及本科生“机械的奥秘”课程面向的学生专业比较广泛，包括了机械工程系、汽车系、航天航空学院等院系，因此建设完善的实验教学装置以及配套的实验系统非常必要。相关机械振动以及转子（轴承）结构的动力学特性课程本身具有抽象、理解难度大的特点，利用该实验设备能帮助学生更好更快地掌握理论知识，并在实验中认识现象，发散思维，为今后的理论知识学习以及科研工作打下了良好的基础。