起重机用滚动轴承有限元分析及故障检测

魏焱焱
江苏省特种装备平安监视查验研讨院江阴分院 江阴 214400

摘 要：针对起重机用滚动轴承故障率高且难以检测的问题，起首采纳Ansys 软件对起重机用滚动轴承进行基于现实打仗状况的有限元阐发，然后采纳基于小波包能量法和Hilbert 变换办法对滚动轴承进行旌旗灯号处置、阐发以及故障检测。成果注解：滚动轴承的滚动体与表里圈打仗部位存在较年夜应力集中，最易在此处起首产生破坏；依据轴承故障特性频率与内圈、外圈、滚动体三种故障类型所对应的频谱特性和能量谱相比拟，可有用断定轴承故障类型。研讨所采纳的检测办法可为起重机用滚动轴承的故障预防和检测提供必定理论根据和指示作用。
症结词：滚动轴承；有限元；故障检测
中图分类号：TH133.33 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）05-0041-05

0 前言
滚动轴承作为起重机器上起支承作用的症结传动部件，其运行状况决议着整机的平安机能，且起重机频仍启停和重载工况也加剧着轴承的破坏[1]。滚动轴承一旦产生故障, 所造成的损失较年夜，是以睁开故障检测具有紧张意义。传统的赫兹理论难以对此类轴承历久磨损破坏进行理论阐发，是以本文在Ansys 中对某型号滚动轴承进行打仗有限元阐发，以期获得滚动轴承的应力散布，为其故障阐发提供根据。因为滚动轴承破坏一样平常从外面开端，是以脉冲振荡旌旗灯号检测能很好地利用到此类外面故障检测中[2]，但此法对情况噪声等因素较为敏感，故需研讨降噪技术以晋升检测精度。综合今朝主流的FFT 和小波法两种降噪办法，FFT 会使一部门有用尖端旌旗灯号被去除，而小波去噪偏差较年夜[3]。

近年来，小波包能量法和Hilbert 变换在机器故障诊断中获得了越来越普遍的利用，且诊断成果精确以及诊断效力高[4-8]。是以本文选用小波包能量法对起重机起升机构用滚动轴承睁开故障检测，在保证精度的同时，可年夜年夜进步检测效力。

1 Ansys 打仗有限元阐发
1.1 轴承有限元模子的树立
针对6205 型滚动轴承，采纳soild45 单位对其进行模子树立和网格划分，如图1 所示，为便利施加载荷，模子中包括了与轴承共同的轴段。依据轴承资料，设置弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.3 以及摩擦系数为0.2。依据起重机起升机构滚动轴承特色，为简化事情量和进步计算效力，起首对此中一个钢球和局部表里圈模子树立打仗对，如图2 所示，选择面面打仗，此中表里圈设置为打仗面，滚动钢球外面设置为目的面，打仗单位为3D target170，打仗面打仗单位选择contact174。对此局部模子进行载荷及束缚的施加，其主要包含：双方的面施加对称束缚，对外圈固定以及束缚滚动体Y 偏向和Z 偏向的位移，施加整个模子轴向束缚以防止其沿轴承轴向移动。经由过程装置轴对滚动轴承内圈施加位移载荷，末了将以上对局部模子的设置扩大到整个轴承模子中，开端进行计算。

图1 滚动轴承有限元模子

图2 打仗设置与界限前提施加

1.2 有限元阐发成果
图3 为轴承位移云图，可知轴承的变形主要集中在内圈以及滚动体与内圈打仗部位。为更周全地察看轴承应力散布环境，图4 和图5 分离为轴承的z 向（轴向）和等效应力（径向）散布，可以看出沿轴向的应力显著小于等效应力值，两种散布下最年夜应力均产生在滚动体与内圈打仗地位，其次滚动体与外圈打仗点也有应力集中，阐明滚动体与表里圈的点打仗带来局部应力可能会导致轴承磨损故障。

图3 轴承位移云图

图4 轴承z 向应力散布

图5 轴承等效应力散布

2 基于小波包法的轴承故障检测
2.1 小波包与Hilbert 法
小波包阐发法在时频分化上具有奇特长处，普遍利用于非安稳故障旌旗灯号提取，但在高频和低频时域偏差较年夜。本文应用小波包阐发法，对分歧频带的故障旌旗灯号进行特性频谱的分化，进步了检测故障的分辩精度。图6为小波包能量法的原理，此中，U0 为滚动轴承源旌旗灯号，A 和D 分离为旌旗灯号的低频及高频区域，将小波子空间Wj 与标准空间 Vj 相联合成子空间U nj ，有

图6 三层小波包分化树

Hilbert 空间下故障旌旗灯号分化可以将Vj+1=Vj+Wj 表现为

j ∈ Z。而子空间和分离指和闭包空间，令un(t) 满意

式中：t 为光阴，h(k) 和g(k) 分离指双标准系数。
小波包能量谱即能量散布图，根据参考文献[9] 中的Parseval 等式，采集的故障轴承的原始旌旗灯号颠末小波包变换之后，有

式中：f (x) 为原始旌旗灯号；C ( j, k ) 为经小波包能量分化后第j 层第k 个节点的幅值，那么指定频带中的小波包能量谱

式中：N 为采集旌旗灯号长度，Ej，k 之和组成能量谱

分歧的起重机减速器滚动轴承的外面破坏情势会对应分歧的故障旌旗灯号，可依次断定故障种别。为办理轴承高速扭转下检测旌旗灯号的解折衷精渡过低的问题，本文采纳Hilbert 包络解调对旌旗灯号进行瞬态时域、频域、相位图的解调[4]。例如，对付某一旌旗灯号x(t)，则针对其Hilbert 变换x ~ (t)，有

则x(t) 的解析旌旗灯号

A(t) 指r(t) 幅值，即x(t) 的包络

根据解析旌旗灯号x(t) 可计算获得滚动轴承故障特性频率，本文基于参考文献[10] 中美国凯斯西储年夜学6205 滚动轴承实验数据库，睁开故障检测，其旌旗灯号采样频率为12 kHz，轴承支承轴转速为1 772 rpm。内圈、滚动体和外圈等分歧构件产生故障时的固有特性频率

式中：f0 为外圈故障特性频率；f1 为内圈故障特性频率；f 为转动频率( f = s /60，s 为转轴转速)；Z 为滚动体个数；d 为滚动体直径；B 为轴承节径。带入6205型轴承参数计算得外圈固有特性频率为159.96 Hz，内圈则为105.89 Hz，在Matlab 软件中输出轴承的正常事情、表里圈及滚动体产生故障时的非正常旌旗灯号作数据，当时域波形成果如图7~ 图10 所示。此中，横坐标为时域旌旗灯号光阴，纵坐标为传感器输出振动旌旗灯号值。

图7 正常状况时域旌旗灯号

图8 内圈故障时域旌旗灯号

图9 外圈故障时域旌旗灯号

图10 滚动体故障时域旌旗灯号

依据图7~ 图10 中成果可以得出：故障状况下的滚动轴承时域旌旗灯号波形疏密纷歧，且波峰纪律由故障特性决议。内圈故障时波形峰值散布较为疏散；外圈故障时，波形峰值密集且易于分辩；滚动体故障不时域波形呈现一显著波峰，年夜约为正常压电旌旗灯号的2 倍。

2.2 检测成果与故障阐发
为进一步对起重机滚动轴承故障种别进行检测，应用小波包分化法进行能量谱图的绘制，并采纳db2 小波和能量熵尺度对轴承低频到高频的故障旌旗灯号进行采集和系数重构，如图11 所示，重构了（3，0），（3，1），（3，2）等各分化节点所对应的第三层对应各频段能量值总和。轴承故障能量散布较为集中，主要散布在在节点（3，6）处。对重构旌旗灯号作EMD 分化，获得9 个ＩＭＦ分量和１个残存量，将各ＩＭＦ分量与采集特性频率相联合，成果见表1。

图11 故障频段能量图

图12 IMF1 分量Hilbert 频谱图

图12 为IMF1 分量的 Hilbert 频谱图，可以看出其最年夜峰值频率约为530.11 Hz，相对较高，是以排除内圈和滚动体故障，即此滚动轴承为外圈故障。

3 结论
1）起重机用滚动轴承在滚动体与表里圈打仗部位存在应力集中，此处是磨损破坏最开端产生的部位，在设计计算及日常查验维护中该当增强注意。

2）对付起重机用滚动轴承的故障检测，采纳基于小波包能量法和Hilbert 频谱阐发的故障检测办法是一种行之有用的检测手腕，对工程利用具有必定的指示意义。

科学技术的研讨没有止境，下一步的研讨该当基于汇集到的起重机专用滚动轴承的相关数据，睁开更相符起重机工况的轴承故障诊断。

参考文献
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