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机械毕业设计论文

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轴承保持架质心运动轨迹测量,机械毕业设计论文

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堕 = ! CN411148TH 轴承2010年8期 Bearing 2010，No8 4345 I测量与仪器 轴承保持架质心运动轨迹测量 刘 品 ，黄迪山 ，傅慧燕 ，莫远珍 ，张婕 (1上海大学机电工程与自动化学院，上海200072；2上海天安轴承有限公司，上海200230) 摘要：介绍了滚动轴承保持架质心运动轨迹的激光测量方法。以实体保持架轴承为试验对象，采用两个相互垂 直激光传感器安装在轴承径向平面上，检测保持架的径向振动位移，通过对振动信号进行处理得到了保持架运 动的质心轨迹图。试验结果验证了激光对微型滚动轴承实体保持架质心运动轨迹测量的有效性。 关键词：滚动轴承；实体保持架；信号分析；质心轨迹 中图分类号：TH13333；TB533 文献标志码：B 文章编号：10003762(2010)08004303 Detection on Mass Center Orbit of Ball Bearing Cage LIU Pin ，HUANG Dishan ，FU Huiyan ，MO Yuanzhen。，ZHANG Jie (1School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China； 2Shanghai Tianan Bearing Co，Ltd，Shanghai 200230，China) Abstract：The detection method of mass center orbit of rolling bearing cage with laser sensors is introducedTaking a solid cage bearing as the experimental object，the radial vibration displacement of cage is detected by use of two sensors perpendicularly installed on the bearing radial plane，and the mass center orbit of cage is got by vibration signal pro cessingAs a consequence，the measurement method is validated by given experiment Key words：rolling bearing；solid cage；signal analysis；mass center orbit 在滚动轴承中，保持架与滚动体和套圈之间 存在着摩擦、磨损和碰撞，产生的摩擦力和碰撞力 对保持架的运动和稳定性有很大的影响，当保持 架结构参数设计不合理、制造精度不高及运行状 况不良时，会造成保持架质心运动轨迹不稳定，所 以测量保持架质心轨迹在分析轴承动态特性中显 得非常重要。 目前国外对轴承保持架动态特性已做了很多 研究工作，主要关注的是保持架的运动与不稳定 性问题。文献1研究了角接触球轴承的保持架 质心运动轨迹，提出了角接触球轴承涡动模型，并 测量和识别了不同类型的保持架涡动，将其分为 稳定和不稳定两类。还有研究者用3个涡流式传 感器检测角接触球轴承保持架 ，Y， 方向的振动 位移，测定各种运转条件下(转速、载荷、润滑及间 隙)的保持架涡动，把运动轨迹分为质心近似保持 不动、质心为圆周运动及过渡状态 。但采用涡 流式传感器检测保持架质心运动轨迹有一定局 限，由于两个相互垂直的涡流传感器体积相对较 大，受微型轴承的几何空间限制，不可能安装在微 型轴承上。而且涡流传感器感应面积大，拾取的 保持架侧梁运动信号中将包含球体通过时的干 扰，检测到的信号品质不够理想；另外涡流传感器 对非金属保持架检测不敏感，对保持架材料有 限制。 因此，在微型角接触球轴承外圈上垂直加工 两个槽，安装两个相互垂直且在同一径向平面上 的激光传感器，由于激光光束斑点的数量级只有 几十微米，激光光束可透过两槽进行测量，能克服 涡流式传感器体积大和材料敏感性的弱点。 收稿日期：2010-03_29；修回日期：2。1。-o51。 1 试验装置 基金项目：国家“十一五计划资助项目(JJPT一1154一 选择微型轴承实体保持架为试验对象，保持 1686) 架材料为酚醛夹布，用激光进行质心位移测量。 nts44 轴承2010No8 由于保持架的几何位置比较特殊，处于轴承外圈 和内圈之间，通过特殊方法加工轴承外圈，使激光 光束导人并直接照到保持架上，测量保持架的径 向振动。应用中，采用电火花钼丝切割技术在轴 承外圈边框上加工出4个互成90。，宽22 mm，深 2 mm的槽，该槽深度不侵入沟道，槽的加工不影 响轴承的工作状态。激光光束透过槽可照到连续 的保持架圆周边框，激光斑点在保持架位置示意 图如图la所示，保持架涡动在激光测量方向投影 为振动位移。保持架质心轨迹测量原理图如图lb 所示。 内圈 (a)激光光束照在保持架上位置 【b)保持架与两垂直激光传感器位置 图1保持架质心运动轨迹激光测量原理图 试验装置由安德鲁轴承试验台、激光传感器、 计算机控制系统组成。试验轴承型号为7002，外 径为32 mm，内径为15 mm，球径为4763 mm，球 数Z=11。轴承安置在试验台的驱动轴上，轴向加 载2223 N。外圈固定，驱动内圈，试验在转速为 1 800 rmin下进行。采用两个光束斑点只有20 m，分辨率为005 Ixm高精度的KYENCE非接触 激光传感器(LKG30)垂直拾取轴承保持架径向 振动位移。 在检测时，为了克服保持架表面油膜的存在 所产生的随机干扰以及表面粗糙度对激光检测信 号的影响，选择激光滤波器为低通滤波，截止频率 设置为300 Hz，在采样前进行初次滤波。设置信 号的采样频率为10 kHz，采样点数为65 536，对振 动信号同时进行 ，Y方向采集。 2振动位移 对采集到的数据按文献2设计组合小波函 数滤波器进行低通滤波处理，截止频率 =50 Hz。组合小波函数设计滤波器的特点：(1)无相移 滤波保证处理后的信号没有附加的相移，保持原 波形谐波的形状；(2)滤波衰减分贝数高(大于40 dB以上)，确保处理后信号无噪声干扰。 图2是处理后两个方向的振动位移信号，其 中的直流分量与激光测量的初始距离有关。由分 析得到：内圈转速频率凡=30 Hz，保持架特征频率 =1196 Hz，钢球特征频率 =1419 Hz，内沟道 特征频率 =1984 Hz，外沟道特征频率 = 1315 Hz。对于检测到的保持架径向平面 ，Y方 向信号，经低通滤波处理后进行谱分析，得到分辨 率为02 Hz的频谱(图3)，把图中的频率和上述 各特征频率对比，可知保持架特征频率呈现14 阶的谐波，并且幅度较大。 l 画 罄 l 谊 罂 时间s (a)水平方向振动位移 时Is (b)垂直方向振动位移 图2保持架两方向位移信号1 s时间历程 244Hz 一J!1人一 L。 (a)水平方向频谱 (b)垂直方向频谱 图3保持架两方向信号频谱图 nts刘品等：轴承保持架质心运动轨迹测量 3质心运动轨迹图 在保持架径向平面上相差9O。的位置上，采集 ，Y振动信号。设保持架质心运动轨迹为复矢量 z，数据为50 000组，表示为： z= +jY。 根据该方法可以得到保持架质心运动轨迹。 合成的质心运动轨迹如图4所示，该轨迹呈现一 个外“8”字形。根据质心运动轨迹特征以及旋转 体的基本物理现象分析，可以识别很多保持架的 状态信息。从旋转机械故障机理分析得知 J，此 轨迹形状为保持架不对中与不平衡的综合原因所 致，表明保持架处于异常运行状态下。 水平方向振动位移H 图4保持架质心轨迹图 对两个信号再次进行低通滤波_2j，频率大于 15 Hz的信号被滤掉，即只剩下保持架一阶谐波频 率，滤波后时域信号见图5，质心运动轨迹如图6 所示，此时的轨迹为一个椭圆。从单一谐波所组 成的椭圆质心运动轨迹知，保持架在空间位置呈 不平衡状态。 质心运动轨迹图是在保持架同一截面的两个 相互垂直的方向上测得的一组振动位移信号，保 时Ihqs (a)水平方向振动位移 时Is (b)垂直方向振动位移 图5 经滤波处理后的两方向信号1 S时间历程 曩 鉴 搞 懈 水平方向振动位移，mm 图6保持架质心运动轨迹图(椭圆特征) 持架单一谐波信号和多谐波信号组成的质心运动 轨迹，都可以反映保持架运动状态。考虑保持架 的刚性涡动和弹性体振动的物理现象，对质心运 动轨迹进一步信号处理，可识别与保持架几何参 数、制造质量对应的运动特征。因此，进一步对质 心运动轨迹进行分析，优化设计参数，提高制造质 量，从而提升轴承保持架质心轨迹的运动平稳性。 4 结束语 在不需对保持架做特殊设计并确保滚动轴承 正常运行下，对轴承外圈挖槽，利用激光光束斑点 的微小性，可检测金属或非金属材料制微型轴承 保持架的径向振动位移，通过相应的信号处理得 到保持架的质心运动轨迹图。文中的检测结果验 证了激光对微型轴承实体保持架质心运动轨迹进 行精密测量的有效性。 如果更换高速驱动系统，可以观测到保持架 更多的质心运动状态信息，如非稳定质心运动。 考虑保持架的刚性涡动和弹性体振动的物理现 象，对质心运动轨迹进行信号模式识别和全息技 术分析，判别保持架运动特征。其可用于轴承保 持架故障状态诊断，同时为微型轴承保持架运动 稳定性影响因素研究提供依据。 参考文献： 1 Kingsbury E PBall Motion in AngulContact Bearings JWear，196