轴承故障周向宽度对系统振动响应的影响

何付军 火箭军士官学校

研究轴承故障参数对系统振动的影响，首先需要弄清楚滚动体在进入故障和离开故障时的系统振动变化，为了更清楚的揭示这一变化规律，本节从最常用的矩形故障模型入手，在单转子的右端引入相同的轴承外圈故障，通过计算得出转子右端加速度的波形图，如图1 所示。

从图1 中可以看出，非规则故障相比于矩形凹槽，在加速度波形图上所反映的最大的差别在于滚动体通过故障区域时的波形变化，矩形凹槽故障所表现的是一条直线，而非规则故障所表现的是一条非规则曲线，由图可知矩形故障所显示的双冲击现象非常明显，但是与实际情况存在较大差别。下图能够很好地反映滚珠通过故障时转子右端加速度的变化。

一、轴承故障周向宽度的影响

设定转子转速为600r/min，故障位于右端轴承外圈滚道上且故障深度h 为1mm，故障周向宽度LD分别取1mm、3mm、5mm时，外圈不同类型故障所对应的转子右端加速度变化曲线。从图中可以看出，滚动体进出矩形故障区域和非规则故障区域的瞬间产生了相同的振动响应，在通过故障区域时，由于故障形貌不同，因而加速度变化有所不同。不同轴承故障周向宽度所对应的加速度变化范围存在差别，随着轴承故障宽度的增加，滚动体在进入和离开故障的时间间隔增大，系统的双冲击现象会更明显，而且可以看出滚动体离开故障前的加速度变化也在增大，说明冲击力和冲击能量随着故障宽度增大而增加，滚动体对外圈的冲击越剧烈。

图2（a）、（b）分别为转子右端竖直方向的平均振幅、均方根变化曲线，可以发现外圈故障时，相同故障深度情况下，非规则故障产生的冲击振动要大于矩形故障。无论是什么类型的故障，振动加速度都是随着故障宽度的增加而增加，对于非规则故障来说，故障宽度大小对振动的影响更大，另外在图中可以看出，当故障超过4mm 时，振动冲击会显著增大。

假设故障位于右端轴承内圈滚道上且故障深度h 为1mm，图2（a）为矩形故障周向长度LD 分别为1mm、3mm、5mm 时，转子右端的加速度变化曲线，图2（b）为非规则故障时对应的加速度变化。同样，从图（a）和（b）中可以看出，当滚动体进出故障的瞬间产生了冲击脉冲，由于故障形貌不同。加速度变化曲线产生了较大差异。另外，随着故障宽度的增加，滚动体在进入和离开故障的时间间隔也在增大，故障越小，产生的瞬间冲击越大，这可能与内圈自身转动时所处载荷区域位置不同造成的。

图1 不同故障形貌的外圈故障及其响应

图2 故障宽度对竖直加速度的影响（外圈）

内圈出现故障时，矩形故障计算出来的数值要高于非规则故障计算结果，随着故障宽度增大，不同轴承故障宽度所对应的加速度变化差别较小，系统所对应的振幅基本保持不变。

二、结语

本文分别计算了系统轴承在内圈含有矩形故障和非规则故障情况下，所产生的振动响应。分析了故障的轴向宽度对于系统振动的影响，结果表明，在内圈含有故障的情况下，相同程度的矩形故障所产生的冲击要明显高于非规则故障，对于内圈而言故障宽度对于系统振动影响不大。