内圈局部剥落的单排回转支承的动力学研究外文翻译资料

 2022-03-25 07:03

内圈局部剥落的单排回转支承的动力学研究

海永宗，王华，荣景洪

摘要

风轮机、起重机、挖掘机等设备的工作状态直接受到回转轴承损坏的影响。状态监测系统是识别缺陷的有效方法。传感器的测量范围和分布对监测效果有重要影响。由于回转支承的薄壁和循环结构特点，所以缺陷特征响应是不寻常和未知的。为了解决这一问题，采用ABAQUS建立了回转支承滚道局部缺陷的有限元模型，并基于显式动态有限元算法对旋转轴承的操作过程进行了仿真。结果得到了不同缺陷尺寸下振动响应的脉冲波形，然后研究了损伤尺寸对回转支承的影响机理。仿真结果表明，在相同条件下，缺陷长度的增加对回转支承的运行影响较大，而高度的影响可以忽略不计。通过对仿真结果与试验结果的比较，得出了显式动态有限元分析模型的合理性。因此，通过有限元仿真分析可以反映出回转轴承滚道表面的局部缺陷，而且分析结果有助于开发回转支承的滚道损伤监测系统。

关键词：回转支承，缺陷尺寸，显式动态有限元分析，振动响应

收到日期：2015年6月23日; 接受日期：2016年1月15日

学术编辑：Nao-Aki Noda

引言

回转支承作为一个关键部件。它连接机器的结构部件，传输负载，并允许它们之间的相对旋转。同时，它被广泛应用于挖掘机、起重机、矿山设备、港口起重机、军事、科研设备等领域。特别是在风力发电行业，采用单排四接触点回转支承方式，将轴向(Fa)、径向(Fr)、倾力矩(M)荷载传递下去，实现了发电机与塔之间的旋转运动。由于损伤机理及其发展情况尚不清楚，检测元件的范围和分布主要由经验而非理论指导来选择。它导致信号弱，信噪比低，故障识别精度不高。考虑到回转支承对机械结构和复杂工况的重要性，一旦发生故障，可能会直接影响设备的正常运行，甚至造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，局部缺陷的旋转轴承的动态模拟和缺陷的动力响应的探索对于监测系统的结构在回转支承上的损伤具有重要的现实指导意义。

回转支承作为工程装备的重要组成部分，受到许多学者的广泛研究。Amasorrain et .3分析了2和4接触点回转支承的不同，并给出了4个接触点回转支承的载荷分布，并得到了滚动元件的最大载荷。Kania4应用有限元方法计算和分析了回转支承滚动元件的承载能力，并给出了在工作条件下滚动元件的载荷变形。Flasker et .5对回转支承的滚道表面裂纹扩展进行了数值分析，研究了接触角不同时的裂纹扩展情况和滚道接触压力分布。摘要对回转轴承的状态监测实验进行了分析，并对其进行了分析，找出了铁的含量。最后，根据分析结果，对内部滚道的磨损状况和使用寿命进行了研究。采用Caesarendra et .7对回转轴承进行加速寿命试验，使其自然损伤，提取的振动信号分别由经验模态分解(EMD)和集成经验模态分解(EEMD)方法进行分析，以获得回转轴承的准确损伤信息。Zˇvokelj et al.8收集振动与声发射信号基于回转支承轴承状态的监测实验，采用eemd -多尺度主成分分析(MSPCA)方法对自适应信号进行分解，提取故障特征分量，确定回转支承的局部缺陷。

这些研究主要集中在负荷分布、状态监测和信号处理，而不是滚道损伤机理、损伤发展及其影响。但如果损伤机理未知，传感器的类型和范围难以选择;因此，在以往的研究中，传感器的选择是没有根据的。此外，有限元动态模拟方法在轴承研究和分析中得到了越来越广泛的应用。这些参考资料表明，该工作主要集中在对轴承的静力分析，而不是对轴承的动态研究。然而，所有这些轴承的静态研究为轴承的下一个动态研究提供了很大的帮助。例如，在此基础上，Li et .11通过显式动态算法研究单列回转轴承的动态力学性能。所获得的Mises应力的分布和变化为研究轴承滚道损伤提供了理论依据。因此，有必要应用动态仿真分析方法对局部缺陷进行研究，探讨损伤尺寸的影响机理。这是一个新的重要的研究领域，可以为在线评价滚道损伤提供有力的依据。

通过以010.40.1000型旋转轴承为研究对象，对损伤的几何尺寸进行了研究。这种回转支承可以满足实验验证的要求，实验验证可以很容易地进行。因为这个回转支承的尺寸很小。根据实际工况，我们构造了不同参数的缺陷模型，模拟了滚道剥落损伤，然后对模型施加了外部载荷、转速和其他约束条件。在仿真分析过程中采用了显式动态有限元算法，通过分析回转轴承滚道表面的应力 分布和缺陷周围的振动加速度响应，得到了损伤尺寸的影响机理。

有限元分析和基础理论

3D实体模型

单排回转支承主要由外圈，内圈，保持架，滚动体组成。 以010.40.1000型回转支承为研究对象，根据机械行业标准文件JB / T 2300-201112提供的基本尺寸参数建立有限元分析（FEA）模型，基本尺寸见 表格1。

在有限元软件ABAQUS中建立了单列回转支承模型，对内外环滚道的精确建模是非常必要的，因为滚道局部的剥落缺陷是分析的关键部分。在建立模型时，考虑了沟道曲率半径r、接触角a和径向间隙d。 滚道的横截面如图1所示。槽曲率半径r为21mm，接触角a为45，径向间隙d为0。在分析结果精度的前提下，合理地简化了模型，忽略了螺栓、塞孔和密封环的影响，消除了弧和倒角。

表1.回转支承的基本尺寸

图1.回转支承的水平横截面。

图2.回转支承的三维模型。

而且，上连接器和下连接器的效果未被考虑，但是由它们带来的外部负载被施加到回转支承。 滚动体的数量根据经验公式（1）确定，单排回转支承的三维实体造型完成如图2所示

其中Z是滚动元件的数量; 实际工程参数a通常为1.2513，其他参数如表1所示。

滚道的局部缺陷

通常回转支承不会做整个圆周运动，而是在一定的角度范围内运动。它常见于挖掘机和风偏轴承的回转轴承。 在运动范围内，滚动体和滚道之间存在高强度的周期性接触载荷。 因此容易引起磨损，裂纹，点蚀等疲劳缺陷，并且随着接触疲劳变差，最终导致疲劳剥落。尤其在滚道的超载区和淬火软带中，局部容易出现剥落缺陷，从而降低回转支承的承载能力和使用寿命。

一旦在滚道上出现剥落，并发展到一定规模，瞬态影响将由局部卸载和超载机制引起。如果瞬态冲击强度足够大，则会在滚环外表面形成一定规律的应力和加速度。图3显示了，由旋转轴承制造商提供的中间状态的剥落照片。滚道上的剥落损伤主要由连续的剥落坑组成，并且会一直增长，直到形成整个坑。我们根据滚道上的剥落尺寸及其近似形状，为了建模，在内圈滚道表面上创建了一个矩形剥落损伤模型，如图3（b）所示。我们根据图3（a）所示连续剥落的基本尺寸，得到了矩形剥落损伤的基本尺寸，如表2所列。N1和N2-N4的数据是从N1得出的，以确定哪个尺寸具有影响回转支承的运转的能力。通过分析与滚道表面缺陷对应的应力和加速度，并与仿真结果进行比较，没有任何缺陷，得到了滚道上局部剥落缺陷的影响。

材料和网格划分

根据标准文件，通常采用42CrMo作为回转支承的滚动圈材料，以保证低周疲劳特性。 GCr15SiMo和尼龙1010通常分别用于生产滚动元件和隔离块。我们在这里忽略了滚道表面淬火层材料性能的差异。 表3列出了材料的主要力学参数。

仿真结果的准确性主要取决于网格生成的质量。回转支承中包含了许多部件，因此回转支承运动的接触机理是复杂的。为了加快计算速度，对螺栓安装孔的忽略，不影响分析和滚道的精度，特别是剥落面积。

图3.内滚道表面上的剥落损坏：（a）连续剥落坑和（b）矩形剥落损坏。

表2.在有限元模型中模拟的缺陷尺寸。

图4.主要部件的有限元网格：（a）有缺陷的滚道和（b）球。

该分区技术用于切割内环，并将缺陷区域与整个模型分开。选用C3D8R元件，以保证大变形和应力增强的能力，其中C为连续体，三维为三维单元，8为单元节点数。为了达到收敛性分析，网格应该在接触点处有较高的密度，如滚子，如图4(b)所示。特别是在缺陷位置，使用了更好的局部网格，如图4(a)所示。为了保证有限元网格的均匀性和高质量，采用内侧轴算法和扫描网格技术进行网格划分。内环最终被分成约8217个十六进制元素。网格法同样适用于其他部分，有限元网格的一部分如图4所示。

显式动态理论

ABAQUS / Explicit中采用中心差分法求解运动方程， 利用时间段的动态条件来计算下一周期的动态条件。 这意味着初始迭代步骤的结果，被用作下一个迭代步骤的计算条件。 最后的迭代结果是通过这种类比得到的。 在增量步骤开始时，动态平衡方程为

其中M是质量矩阵，P是外力，I是单元力，u是节点加速度。 所以，时刻t的节点加速度可以表示为

表3.材料力学参数。

它将由中心差分法获得的加速度u，作为常数来获取时间段Dt中的速度变化值；将速度变化值加到最后一个增量步长的速度值上，以便获得当前增量步长的节点速度值。

同样，通过时间-速度积分得到位移变化值，并在增量步的开始处增加位移值。因此，增量步结束时的位移u是如下所示。

最后，在增量步的开始，提供了满足动态平衡条件的加速度。根据已知加速度，通过显式时间积分得到节点速度和位移。在这里，显式的意思是，结果只取决于初始时加速度、速度和位移的初始值。

为了确保在此期间加速度大致恒定，时间增量需要足够小，这导致分析问题中的成千上万次时间增量。然而，每个增量步骤的计算成本非常低。因为不需要同时求解联立方程。因此，显式动态算法减少了计算机负担，计算速度更快。 如果采用隐式算法，虽然增量步长小于显式方法中的增量步长；然而，在每个增量步骤中，静态平衡方程必须通过迭代求解方法求解。因此，需要在每次迭代中求解一组平衡方程，并且每一步的计算机负担，比采用显式算法的计算负担要大得多。

对于局部损伤的回转支承，其运动仿真过程属于非线性多体动态接触问题。隐式算法将受到迭代次数和非线性接触问题的限制，并占用大量的计算资源。因此，显式的动态分析更适合解决这个问题。

接触和边界条件

由于回转支承运动过程中，滚道，滚动体，隔离块之间存在接触关系。 因此，选择了表面到表面的接触类型。 滚道与滚珠之间的切线接触被设定为惩罚性接触，摩擦系数约为0.05，并且正常接触被设定为硬接触。

参考点(RPs) -RP内部，RP外部，RP负载-设置在内环的几何中心，外环和外环的上表面。在RPs和相应的表面之间建立耦合约束。根据回转支承的实际工程应用，在外圈的上表面施加轴向力和倾斜力矩M，内圈完全固定。外环转动和加载方向上的自由度是无限的。此外，所有的滚动元素都是完全自由的，并且由外环滚道的接触摩擦力驱动。在实际工程应用中，根据客户反馈信息，回转速度通常在1 ~ 3r/min之间，在此，转速v为3r/min，约为0.3142rad/s。根据这类回转支承的实际载荷谱，外载荷轴向力Fa为525kN，倾力矩M为450kNm，由制造商提供，以保证仿真结果的真实性。

仿真结果和实验验证

仿真结果

我们利用显式动态算法，分析了单排四接触点回转支承的有限元模型，并对其在滚道上的局部缺陷进行了分析。研究了不同尺寸缺陷的回转轴承滚道表面的应力分布，并得到缺陷的动态响应。

滚道的应力分布在表面上有一个剥落损伤，如图5所示，很明显，当滚动元件在滚道表面的局部缺陷上运行时，最大应力集中在缺陷边缘。这一结果与Liu et al. 17的结论一致，也表明该分析模型是可靠的。根据应力分布(图5)，可以发现应力分布的形状呈椭圆型，应力集中现象在局部缺陷边缘较明显，在滚道表面存在剥落缺陷时应力值较高。此外，在回转轴承旋转过程中，滚道上的球和损伤区域相互联系。在内环的上表面上创建了一个节点路径，将球和损伤边缘的接触点设置为振动源，如图6所示。

图5.损伤区域周围的应力分布：（a）缺陷N1，最大应力270.3MPa; （b）缺陷N2，最大应力431.5MPa; （c）缺陷N3，最大应力315.2MPa; 和（d）缺陷N4，最大应力385.1MPa。

图6.外表面上的路径。

图7.改变加速趋势

在此过程中，FEA模型N1-N4加速度的变化趋势如图7所示。如前所述，N1是连续剥落区的原始尺寸，N2-N4是通过改变长度、宽度或深度而从N1派生出来的。N4的长度是N1长度的一半，N2的深度是N1的两倍。虽然图7所示曲线的变化趋势相似，但曲线N4的最大值明显小于其他三条曲线的最大值。而曲线N2的最大值类似于曲线N1的最大值。通过比较可以发现，长度变化对回转轴承的运行影响最大。

此外，基于N1缺陷模型对动态响应进行了研究(如表2所示)，在节点路径上选取任意四个节点，有限元模型中的节点数分别为4139、4130、499和3635。四个节点分别编号为1-4，节点3对应于损伤位置，如图8所示。此外，节点3和节点1、2和4之间的距离分别为45、15和30cm。在有限元模拟的基础上，可以提取4个选定节点的加速度，节点1-4对应的加速度值分别为1.7156、8.4837、15.3623和2.3799mm/s2。

图8.选定的节点位置

图9.回转轴承测试表。

图10.旋转轴承滚道表面上的剥落缺陷。

图11.低频加速度传感器。

实验验证为了确认FEA所得到的结果，在回转

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