基于噪声特征的乏油全陶瓷球轴承承载状态识别方法研究

Full ceramic bearings have the advantages of small density and good wear resistance, and are widely applied in extreme working conditions as high temperature, heavy load and strong magnetic field. However, the rollers have great probability to work in the non-uniform intermittent conditions because of the small deformation. The conditions have impact on the load capacity, and affect the service life. Aiming at this problem, a recognition method for the load status based on the sound radiation characteristics is put forward. An analysis on the stress of the rollers with the effect of unstable oil film is conducted, and the dynamic model of the full ceramic ball bearing under non-uniform intermittent load status is established. The model is studied together with the uniform load model, and the variation of the dynamic characteristic is studied. The inner ring, the outer ring, the rollers and the cage are considered as sub acoustic sources, and the correlation between the sub sources are calculated. The sound radiation distribution of the bearing is obtained based on the free-field radiation theory, and the generation and variation of the sound radiation are explored. The distributions of the sound radiation along the axial, radial and circumferential directions are analyzed, and the relation between the load status and sound characteristics is studied. The research proposes recognition methods for the load status based on the sound radiation characteristics, and provides theoretical basis for the monitoring of bearing working conditions and health maintenance.

全陶瓷球轴承材料密度小，耐磨性好，在高温、重载、强磁等极端工作条件下得到了广泛应用。但由于其滚动体变形量小，乏油工况下易处于非均匀间歇承载状态，影响其承载能力与使用寿命。本研究提出一种通过对不同承载状态下轴承辐射噪声进行计算，基于轴承辐射噪声信号特征对其承载状态进行识别的方法。在对乏油工况下滚动体受力分析的基础上，考虑非稳态弹流润滑效应的影响，建立了非均匀间歇承载状态下全陶瓷球轴承动力学模型，并与滚动体均载模型进行对比研究，得到滚动体承载状态改变时轴承动态特性变化规律；在此基础上将内圈、外圈、滚动体与保持架作为子声源，求解各子声源间辐射噪声相关性，对辐射噪声空间分布进行计算，揭示噪声产生机理与变化规律；对辐射噪声沿轴向、径向、周向分布规律展开分析，获取滚动体承载状态与噪声信号特征的映射关系。研究能够得到基于噪声特征的全陶瓷球轴承承载状态识别方法，为轴承状态监测与健康维护提供理论依据。

全陶瓷球轴承具有密度小、硬度高、不导电导磁、抗热震性好等优点，在航空航天、精密加工、航海、食品等领域核心装备中具有重要应用前景。然而，由于在宽温域、超高速工况导致的乏油条件下，全陶瓷球轴承滚动体呈现非均匀承载状态，对保证其服役性能极为不利，需要尽早识别。针对这一问题，本研究以全陶瓷球轴承运行状态下的辐射噪声作为评价指标，建立了全陶瓷球轴承不同承载状态与其辐射噪声特征之间的关联，开展了大量研究工作，主要包括：1) 考虑滚动体球径差建立了乏油条件下全陶瓷球轴承动力学模型，在动力学模型中主要研究了由滚动体球径差带来的特有非均匀承载模式，得到了滚动体公差、滚动体相邻球径差、滚动体个数等结构参数对全陶瓷球轴承动态特性的影响趋势，以及转速、转子质量等工况参量对非均匀承载状态的影响情况；2) 基于子声源分解理论建立了全陶瓷球轴承声辐射模型，搭建了全陶瓷球轴承振声特性之间的关联，在动力学模型基础上获取辐射噪声中非均匀承载状态对应的频率特征，并在全陶瓷球轴承辐射噪声中分析相应频率成分的变化趋势，揭示了全陶瓷球轴承辐射噪声中各频域成分的产生机理；3) 开展多维度辐射噪声特性研究，基于全陶瓷球轴承动力学模型与声辐射模型求得其运转状态下周围空间声场分布情况，建立了全陶瓷球轴承声辐射时域特征、频域特征、声场指向性特征等与非均匀承载运行状态之间的关联，从而提升非均匀承载状态识别的准确性与实效性。研究成果主要包括：1) 发表学术论文45篇，其中ESI高被引论文2篇，SCI/EI收录38篇，部分论文得到了多名中外院士等知名学者引用；2) 授权专利4项，部分成果已推广应用，得到了多个企业的高度评价；3) 协助指导博士生2名，指导硕士生12名；4) 在本项目基础上开展后续研究，获批国家自然科学基金面上项目1项，省部级项目2项，项目具有很好延续性，为全陶瓷球轴承运行维护提供了重要理论基础与技术支持。