高速角接触球轴承的表面损伤演变过程建模及动力学特性研究

The main reason for the early failure of angular contact ball bearings serving in high-speed environment is the contact surface defects. Therefore, to improve the modeling methods based on fixed characteristics and the linear damage accumulation criterion, dynamic modeling of bearing defect is carried out to study the evolution of surface defect state, and the relationship between a specific defect feature and its corresponding characteristics. More specifically, the basic dynamic model of angular contact ball bearing is established, considering the prominent non-linear factors under high-speed working condition; The contact stiffness, together with the disturbance contact load which reflects the surface damage characteristics, are parameterized and the bearing defect dynamic model is established; According to the current surface defect characteristics and damage accumulation criterion, the contact stiffness and disturbance contact load are updated to calculate the current contact surface stress level and compared with the stress threshold of the state transition point to judge whether the defect state is converted; Calculate the response time history and analyze its features based on the dynamic model that reflects both of the status and the extent of the surface defect. Meanwhile, the high-speed bearing life tests under different load conditions are carried out, and the experimental data is compared with the theoretical counterpart to improve the accuracy of the established model. The above work provides a theoretical basis for the identification of the performance degradation and defect-to-failure process for the high-speed angular contact ball bearings.

角接触球轴承在高转速服役环境下发生早期失效的主要原因是接触表面损伤。因此，针对表面损伤状态及程度的动态演变过程，以及损伤特征与动力学特性间存在的关联关系，开展轴承损伤动力学建模研究，改进基于固定损伤特征和线性损伤累积准则的动力学分析方法。具体地，考虑高速工况下更为显著的非线性因素，建立角接触球轴承基本动力学模型；对反映表面损伤特征的接触刚度和扰动接触载荷进行参数化表示，建立轴承损伤动力学模型；根据当前表面损伤特征和损伤累积准则，更新计算接触刚度和扰动接触载荷，求解当前接触表面应力水平，并与状态转换点应力阈值比较，判断损伤状态是否发生转换；根据反映当前损伤状态及程度的动力学模型计算动态响应历程并分析其特征，同时开展不同高速载荷工况下的轴承寿命实验，对比实验数据与理论计算结果，优化理论模型以提高分析精度，为高速角接触球轴承性能退化及损伤失效的判定提供理论依据。

在El-Thalji的描述性模型中，球轴承表面损伤的扩展过程是一个损伤区域逐渐加深、变长的动态过程。局部剥落形成后，滚动体接触较软和更粗糙的剥落接触面，导致应力水平提高与剥落深度增大。与此同时，滚动体与损伤区前缘、后缘的接触将引发新的微裂纹，进而在滚道周向产生新的缺陷，增大剥落长度。因此，要实现表面损伤区域大小的诊断，只关注于对特定损伤形貌产生的振动响应的特征提取是不够的，需结合表面损伤区域扩展至不同大小时的典型响应特征，动态评估损伤发展阶段，实现表面损伤程度的跟踪诊断。为此，对轴承表面的损伤形貌特征建模，计入影响深沟球轴承接触特性的滚动体惯性力、工作游隙、套圈波纹度等因素，同时考虑Jeffcott转子不平衡质量引起的同步激励，建立特定损伤特征下的七自由度深沟球轴承-转子系统动力学模型，通过数值仿真计算表面损伤区域发展到不同深度和长度特征下轴承座的加速度响应及其特征，为损伤区域的定量评估提供依据。通过监测轴承座加速度信号并分析其特征频率，可检测滚动轴承在当前条件下是否发生表面损伤及发生损伤的部位。但从健康状态的动态评估角度出发，滚动轴承的健康状态是一个在较长时间尺度内缓慢变化的过程。若用某个特征值来定量描述轴承健康状态，它将是一个时间的缓变函数。实际工程当中，由于这一特征值无法直接测量或通过测量值计算得到，因此将其用于轴承健康状态的动态评估存在困难。考虑滚动轴承状态监测时采集到的加速度信号，如能建立可测加速度信号与关于时间缓变的健康状态特征值之间的关系模型，则可在工程实际中实现滚动轴承表面损伤程度乃至健康状态的动态评估。利用非线性动力学理论和方法是解决这一问题的有效途径。传统的非线性特征，例如最大李亚普诺夫指数、关联维数等，可以检测到动力系统因损伤造成的状态变化，但是不适用于连续跟踪系统损伤的演化过程。有学者提出了相空间曲变的方法，指出可以以重构相轨迹的动态演变表征动力系统参数的缓慢变化。还有学者利用此方法对单一工况和变工况下的轴承故障进行了跟踪。此外，还有采用相空间曲变量为特征，提出的一种多时间尺度的轴承寿命预测方法。除了动力系统相关的研究，还有学者应用该方法对长时间重负载行走情况下人体物理机能的疲劳状态进行了跟踪和预测。