(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210917555.7 (22)申请日 2022.08.01 (71)申请人 安徽大学 地址 230601 安徽省合肥市经济技 术开发 区九龙路1 11号 申请人 中国北方车辆 研究所 (72)发明人 刘永斌　杨阳　杜明刚　陈杰　 曹正　刘先增　胡娅维　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 金怡 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学 建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种剥落故障深沟球轴承多 自由度动力学建模方法， 包括： 1)建立深沟球轴 承动力学模 型， 考虑轴和轴承座外壳的弹性支撑 以及弹性流体润滑条件下轴承外圈、 内圈、 滚动 体的相互作用； 2)模型中包括轴承外圈、 内圈以 及滚动体的平面位移自由度， 共(4+2Nb)个自由 度， Nb是滚动体个数； 3)建立剥落故障时变位移 激励模型和时变位移激励函数； 4)运用四阶龙 格‑库塔法求解动力学微分方程， 得到剥落故障 球轴承的模拟信号， 并通过 实验数据验证了该方 法的准确性和可行性。 本发明解决了模拟剥落故 障球轴承的动态响应问题， 实现了球轴承在实际 受力情况下的动力学分析， 本方法适用于模拟早 期单一剥落故障深沟球轴承的振动响应信号。 权利要求书2页 说明书9页 附图7页 CN 115270342 A 2022.11.01 CN 115270342 A 1.一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征在于： 考虑深沟球轴承 系统多个耦合因素， 准确模拟剥落故障深沟球轴承的振动响应信号， 具体包括以下步骤： 步骤1： 选定深沟球轴承并查找轴承参数： 在进行剥落故障深沟球轴承动力学建模之 前， 选定深沟球轴承型号， 并查找所研究深沟球轴承的参数； 步骤2： 建立深沟球轴承系统动力学模型； 步骤3： 计算深沟球轴承系统刚度和阻尼； 步骤4： 建立剥落故障时变位移激励模型以及时变位移激励函数； 步骤5： 建立多自由度动力学微分方程； 步骤6： 运用定步长四阶龙格库塔法求 解多自由度动力学微分方程； 步骤7： 与实验数据信号进行对比； 2.根据权利要求1所述的一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征 在于： 所述步骤2包括： 采用弹簧和集中质量对深沟球轴承系统进行动力学建模， 内圈和轴 段视为一个整体， 外圈固定在轴承座外壳上， 将轴段和轴承座外壳视为存在刚度和阻尼的 弹性支撑， 建立轴－深沟球轴承－轴承座外壳系统的动力学模型。 3.根据权利要求2所述的一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征 在于： 所述步骤3中的球轴承系统中的刚度包括： 轴段与轴承内圈的支撑刚度ks、 轴承座外 壳与轴承外圈的支撑刚度kh； 考虑了弹性流体动力润 滑后的轴承外圈与滚动体的总接触刚 度kout、 轴承内圈与滚动体的总接触刚度kin； 所述步骤3中的球轴承系统中的阻尼包括： 轴段与轴承内圈的阻尼系数cs、 轴承座外壳 与轴承外圈的阻尼系数ch； 轴承外圈与滚动体的阻尼系数co、 轴承内圈与滚动体的阻尼系数 ci。 4.根据权利要求3所述的一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征 在于： 所述步骤4中， 轴承不同部件的位移激励有以下三种： 轴承外圈存在单一剥落故障产 生的时变位移激励、 轴承内圈存在单一剥落故障产生的时变位移激励、 轴承滚动体存在单 一剥落故障产生的时变位移激励； 针对轴承三种部件的剥落 故障分别建立三种不同的剥落 故障时变位移激励模型以及时变位移激励函数。 5.根据权利要求4所述的一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征 在于： 所述 步骤5包括： 根据牛顿运动第 二定律以及建立的球轴承系统动力学模型， 建立球轴 承系统各部件的 动力学微分方程如下： ①外圈运动微分方程 为： 式中： mo为轴承外圈和轴承座外壳的总质量， ch为轴承外圈和轴承座外壳的阻尼系数， kh为轴承外圈和轴承座外壳的支撑刚度， Nb为滚动体个数， βj为滚动体是否与外圈滚道产生 接触力的判断系数， 为滚动体与外圈之间的接触力， 为滚动体与外圈之间的摩擦权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115270342 A 2力， θj为第j个滚动体的时变位置角， 与 与 xo与yo分别为外圈和轴承座外壳在X 与Y方向上的振动加速度、 速度和位移； ②内圈运动微分方程 为： 式中： mi为轴承内圈和轴段的总质量， cs为轴承内圈和轴段的阻尼系数， ks为轴承内圈 和轴段的支撑 刚度， Nb为滚动体个数， βj为滚动体是否与内圈滚道产生接触力的判断系数， 为滚动体与内圈之间的接触力， 为滚动体与内圈之间的摩擦力， 与 与 xi与 yi分别为内圈和轴段在X与Y方向上的振动加速度、 速度和位移； ③滚动体运动微分方程 为： 式中： mr为单个滚动体的质量， ci为轴承内圈与滚动体的阻尼系数， co为轴承外圈与滚 动体的阻尼系数， 与 与 分别为第j个滚动体在X与Y方向上的振动加速度、 速度。 6.根据权利要求5所述的一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征 在于： 所述步骤6包括： 确定球轴承系统各部件动力学方程中的参数， 运用定步长四阶龙格 库塔法求 解， 得到剥落故障轴承的振动响应信号。 7.根据权利要求6所述的一种剥落故障深沟球轴承多自由度动力学建模方法， 其特征 在于： 所述步骤7包括： 求解模型所得的加速度振动响应与实验加速度振动响应进行对比， 并且对模型求解的模拟信号和实验信号进 行基于希尔伯特变换的包络谱分析， 以得到轴承 剥落故障特征频率及相关信息， 通过实验对比分析， 验证所述动力学建模方法的准确 性和 可行性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115270342 A 3