一种轴承故障模拟方法及装置与流程
本发明涉及一种轴承故障模拟方法及装置，属于轴承故障模拟技术领域。
背景技术：
轴承是所有旋转设备的重要组成部分，也是大多旋转设备最主要的故障源。以电机为例，其50％以上的故障来自轴承。因此，获得轴承各种故障情况下的特征信号，尤其是振动信号，对实现轴承的故障预警和剩余寿命估计具有非常重要的意义。
在实际的工业应用中，目前大多通过电火花或者线切割等方式在轴承的不同位置人为产生故障，然后测量轴承的振动信号，以提取可用于轴承故障预警的特征。这种实验方法的结果虽然准确可靠，但是实验效率低、成本高，且很多极端的故障情况无法在实际轴承台架中实验。
为解决上述问题，目前也有以仿真模型代替实际轴承，通过修改模型参数来模拟轴承故障的方法，例如公告号为cn103927414b的中国发明专利文件中公开的一种含单点故障的滚动轴承振动响应仿真分析方法，该方法首先建立了滚动轴承的5自由度非线性振动模型，并分别针对轴承单点故障的位置、形状及尺寸建立了不同的故障模型，然后根据当滚动轴承有故障时，接触到缺陷的滚珠的接触变形会发生变化，将故障引入到滚动轴承的5自由度非线性振动模型中，最后对振动模型求解得到外圈、内圈、滚动体分别含单点故障的轴承振动加速度响应曲线图。该方法不仅用仿真模型代替实际轴承，还以仿真的形式模拟轴承的运行工况，虽然能解决人为产生故障时很多极端的故障情况无法模拟的问题，但是由于在工业应用中受各种外界环境因素的影响以及受轴承台架中其他部件机械或电气特性的影响，轴承的实际运行工况不是固定不变的，而是实时变化的，因此轴承的实际运行工况十分复杂，很难通过仿真的形式进行全面真实地模拟和再现，一旦仿真得到的轴承运行工况与轴承的实际运行工况有偏差，那利用该方法得到的故障模拟精度就会降低。
综上所述，目前要么完全基于实际的轴承进行轴承故障模拟实验，这种实验无法完成极端故障的模拟；要么完全以仿真的形式进行轴承故障模拟实验，这种实验容易出现仿真得到的轴承运行工况与轴承的实际运行工况不符，导致故障模拟精度降低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种轴承故障模拟方法及装置，用以解决目前完全以仿真的形式进行轴承故障模拟实验，容易出现仿真得到的轴承运行工况与轴承的实际运行工况不符，导致故障模拟精度降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种轴承故障模拟方法，该方法包括以下步骤：
1)将设定的轴承故障引入到预先构建好的轴承动力学模型中，并将轴承基本特性参数输入到所述轴承动力学模型中；
2)将轴承实验台架上驱动装置输出的实际转速和加载装置输出的实际载荷实时输入到所述轴承动力学模型中；
3)求解所述轴承动力学模型得到与设定的轴承故障相对应的轴承振动加速度，完成轴承故障模拟；
其中，所述设定的轴承故障根据设定的故障位置、故障尺寸和故障数量确定，并根据当轴承有故障时，接触到故障的滚珠的形变量会发生变化，进而滚珠与滚道的接触力会发生变化，将所述设定的轴承故障引入到所述轴承动力学模型中；所述轴承基本特性参数包括轴承内圈的质量、刚度、阻尼，轴承外圈的质量、刚度、阻尼，减震器的质量、刚度、阻尼，以及滚珠的个数。
轴承故障模拟方法的有益效果：该方法采用半实物仿真的形式实现轴承故障模拟，其中，转速和加载部分保留实物，即轴承故障模拟所需的实际转速和实际载荷均从实际轴承实验台架中获取；轴承部分采用数学模型，即采用轴承动力学模型代替实际的轴承。进行故障模拟时，轴承实验台架中的驱动装置和加载装置与轴承动力学模型同时运行，轴承实验台架实时地将其产生的实际转速和实际载荷发送给轴承动力学模型，这样整个实际台架的转速和载荷的动态特性(如时间延迟、动态波动等)就被实时地输入轴承动力学模型，由于这种动态特性能够真实地反映出各种外界环境因素以及轴承台架中其他部件的机械或电气特性对轴承运行的影响，即能真实地反映轴承的实际运行工况，进而能提高轴承故障模拟的精度；同时，采用轴承动力学模型代替实际的轴承，通过修改轴承特性参数以及故障位置、尺寸和数量等故障几何参数，就能完成不同轴承在不同故障情况下的故障模拟，能够提高轴承故障模拟的效率，并且能模拟实际实验中因安全因素无法进行的极端故障。
进一步地，在上述轴承故障模拟方法中，所述驱动装置根据上位机输入的目标转速输出实际转速，所述加载装置根据上位机输入的目标载荷输出实际载荷。
本发明还提供了一种轴承故障模拟装置，该装置包括轴承实验台架、轴承动力学模型和上位机；所述轴承实验台架包括驱动装置和加载装置，所述驱动装置用于产生轴承故障模拟所需的实际转速，所述加载装置用于产生轴承故障模拟所需的实际载荷；所述上位机用于设定轴承基本特性参数以及设定轴承故障；所述轴承动力学模型用于根据引入的轴承故障、输入的轴承基本特性参数和实时输入的实际转速和实际载荷，输出与引入的轴承故障相对应的轴承振动加速度，完成轴承故障模拟；
其中，所述上位机通过设定故障位置、故障尺寸和故障数量来设定轴承故障，所述轴承故障根据当轴承有故障时，接触到故障的滚珠的形变量会发生变化，进而滚珠与滚道的接触力会发生变化被引入到所述轴承动力学模型中；所述轴承基本特性参数包括轴承内圈的质量、刚度、阻尼，轴承外圈的质量、刚度、阻尼，减震器的质量、刚度、阻尼，以及滚珠的个数。
轴承故障模拟装置的有益效果：该装置采用半实物仿真的形式实现轴承故障模拟，其中，转速和加载部分保留实物，即轴承故障模拟所需的实际转速和实际载荷均从实际轴承实验台架中获取；轴承部分采用数学模型，即采用轴承动力学模型代替实际的轴承。进行故障模拟时，轴承实验台架中的驱动装置和加载装置与轴承动力学模型同时运行，轴承实验台架实时地将其产生的实际转速和实际载荷发送给轴承动力学模型，这样整个实际台架的转速和载荷的动态特性(如时间延迟、动态波动等)就被实时地输入轴承动力学模型，由于这种动态特性能够真实地反映出各种外界环境因素以及轴承台架中其他部件的机械或电气特性对轴承运行的影响，即能真实地反映轴承的实际运行工况，进而能提高轴承故障模拟的精度；同时，采用轴承动力学模型代替实际的轴承，通过修改轴承特性参数以及故障位置、尺寸和数量等故障几何参数，就能完成不同轴承在不同故障情况下的故障模拟，能够提高轴承故障模拟的效率，并且能模拟实际实验中因安全因素无法进行的极端故障。
进一步地，在上述轴承故障模拟装置中，所述上位机还用于设定驱动装置的目标转速和设定加载装置的目标载荷，所述驱动装置根据上位机输入的目标转速输出实际转速，所述加载装置根据上位机输入的目标载荷输出实际载荷。
进一步地，在上述轴承故障模拟装置中，所述驱动装置包括电机控制器、驱动电机和转速传感器，电机控制器与驱动电机相连，驱动电机与转速传感器相连；所述加载装置包括液压加载系统控制器、液压加载系统和力传感器，液压加载系统控制器与液压加载系统相连，液压加载系统与力传感器相连。
附图说明
图1是本发明的轴承故障模拟装置的结构示意图；
图2是本发明的5自由度轴承动力学模型示意图；
图3是故障出现在滚珠时与轴承内圈接触的几何关系示意图；
图4是故障出现在滚珠时与轴承外圈接触的几何关系示意图；
图5是不同故障尺寸下的轴承故障形状及相应的轴承故障尺寸及形状子模型示意图；
图6是h>hd时的故障深度示意图；
图7是h<hd时的故障深度示意图；
图8是本发明的轴承故障模拟方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
轴承故障模拟装置实施例：
本实施例的轴承故障模拟装置如图1所示，该装置由3部分组成，分别为轴承实验台架、轴承故障动力学模型部分和上位机，各部分的构成分别如下：
一、轴承实验台架
轴承实验台架包括驱动装置和加载装置。其中，驱动装置由电机控制器、驱动电机和转速传感器组成，电机控制器与驱动电机相连，驱动电机与转速传感器相连，转速传感器用于实时采集驱动电机的转速，电机控制器基于从上位机获得的目标转速和从转速传感器获得的驱动电机转速，输出转速控制指令给驱动电机；加载装置由液压加载系统控制器、液压加载系统和力传感器组成，液压加载系统控制器与液压加载系统相连，液压加载系统与力传感器相连，力传感器用于实时采集液压加载系统输出的轴向载荷和径向载荷，液压加载系统控制器基于从上位机获得的目标轴向、径向载荷(以下简称目标载荷)和从力传感器获得的实际轴向、径向载荷(以下简称实际载荷)，输出载荷控制指令给液压加载系统。
本实施例中的轴承能够同时承受轴向载荷和径向载荷，因此液压加载系统同时产生这两个方向的载荷；当然，作为其他实施方式，当轴承仅能承受一个方向的载荷时，也可以控制加载系统仅产生一个方向的载荷，另外，还可以采用其他类型的加载系统替代液压加载系统。
本实施例中，驱动装置由电机控制器、驱动电机和转速传感器组成，加载装置由液压加载系统控制器、液压加载系统和力传感器组成，驱动装置根据上位机输入的目标转速输出实际转速，加载装置根据上位机输入的目标载荷输出实际载荷；作为其他实施方式，驱动装置还可以是具有转速调档功能的电机，通过调节转速档位控制电机输出的实际转速，同样，加载装置也可以是具有手动控制功能的加载系统，通过手动控制加载系统输出实际载荷。
二、轴承故障动力学模型部分
本实施方式的轴承故障动力学模型部分包括一个5自由度的正常轴承动力学模型(以下简称5自由度轴承动力学模型)和一个轴承故障模型，每个模型具体如下：
1、5自由度轴承动力学模型
如图2所示，轴承由内圈、外圈和滚珠组成，考虑如下自由度：内圈和外圈的水平及垂直方向各一个自由度，加上减震器垂直方向的一个自由度，整个系统构成一个5自由度系统。
基于牛顿第二定律，得到如公式(1)所示的5自由度轴承动力学模型：
式中，ms,mp,mr分别为轴承内圈、轴承外圈和减震器的质量；ks,kp,kr分别为轴承内圈、轴承外圈和减震器的刚度；rs,rp,rr分别为轴承内圈、轴承外圈和减震器的阻尼；xs,ys,
其中，由herz接触理论可得：
式中，kb为轴承滚珠的刚度，δj为第j个滚珠的形变，φj为第j个滚珠的角位置，γj为开关函数，其值由公式(3)确定：
由公式(2)和公式(3)可知，滚珠与滚道之间的接触力fx,fy主要由滚珠的形变量δj决定。
其中，当轴承未故障时，每个滚珠的形变量δj可以由内、外滚道在该位置的相对位移及轴承的游隙计算得到，如公式(4)所示：
δj＝(xs-xp)cosφj+(ys-yp)sinφj-c(4)
当轴承出现故障时，只有故障位置处的滚珠形变会发生变化，其他位置的滚珠形变量将不受故障的影响，对于故障位置处的滚珠，故障的位置、尺寸和数量会进一步影响滚珠的形变量，故障轴承的滚珠形变量δ′j如公式(5)所示：
δ′j＝(xs-xp)cosφj+(ys-yp)sinφj-c-βjcd(5)
式中，c为轴承的游隙，βj用于表征故障是否对接触形变产生影响，该值受故障位置的影响，可以通过故障位置子模型来描述，cd表示因故障带来的接触形变量的改变量，该值受故障尺寸和形状的影响，可由故障尺寸和形状子模型来刻画，βj和cd两者一起决定当前故障对接触形变量的改变值。
2、轴承故障模型
本实施方式的轴承故障模型包括故障位置子模型、故障尺寸及形状子模型和故障数量子模型，各模型具体如下：
1)故障位置子模型
轴承出现故障的位置可分为3种情况，即故障出现在轴向内圈、故障出现在轴承外圈和故障出现在轴承滚珠，这3种情况下的βj取值不同，需要分别建模，具体如下：
(1)故障出现在轴承内圈或轴承外圈
当故障出现在轴承内圈或轴承外圈时，βj可由公式(6)计算得到：
式中，φd表示故障相对于滚珠的起始角度，δφd表示故障相对于滚珠的角度范围。
其中，当故障出现在轴承外圈时，由于在实际的轴承台架中，通常轴承外圈保持静止，故障位置固定，此时φd为常值，保持不变，如公式(7)所示：
φd＝constant(7)
当故障出现在轴承内圈时，由于内圈同轴一起旋转，此时故障的相对位置会发生变化，φd可由公式(8)计算得到。
φd＝ωst+φd0(8)
式中，φd0为初始故障位置，ωs为内圈旋转速度，t为时间。
(2)故障出现在轴承滚珠
由于轴承工作时，滚珠一方面会随着保持架公转，另一方面滚珠还会按一定速度自转。因此，当故障发生在滚珠上时，随着滚珠的自转，故障将与内圈和外圈交替接触，而由于内外圈的曲率不一样，因此，故障与内、外圈接触时给滚珠形变带来的影响也不一样(如图3和图4所示)，此时βj可由公式(9)计算得到：
其中：
式中，φs为滚珠故障位置，k为故障滚珠的位置编号，b为故障的宽度，δφbo、δφbi分别为故障相对于外圈和内圈的角度范围，db、do和di分别为滚珠的直径、轴承外径和轴承内径。
2)故障尺寸及形状子模型
故障的尺寸和故障的形状息息相关，此处定义两个参数ηbd和ηd来构建故障尺寸及形状子模型，这两个参数的计算公式分别如下：
式中，l为故障的长度，b为故障的宽度。
易知，ηbd描述了滚珠尺寸与故障尺寸的相对关系，ηd则描述了故障本身长与宽的相对大小。ηbd和ηd取不同的值，滚珠与故障的接触面的几何形状将不同。
因此，基于ηbd和ηd的不同取值，可以采用4种不同的函数来描述故障的形状，如公式(12)所示：
其中，h1、h2、h3和h4的数学模型分别如下，各个模型的图示如图5所示。
h1＝cd′(13)
式中，φ表示故障起始点与滚珠球心之间的夹角，φ1和φ2分别表示轴承故障形状分段函数的中间两个分界点的角度值。
其中，cd′可由公式(17)和公式(18)计算得到，公式(18)的图示见图6和图7。
cd′＝min(h,hd)(17)
3)故障数量子模型
故障数量子模型主要用于定义轴承在内圈、外圈及滚珠上分别有多少个故障，以及每个故障的角度位置。
在设定好故障发生的位置、故障尺寸和故障数量后，调用上述相应的故障位置子模型和故障尺寸及形状子模型分别计算每个故障位置处因故障带来的滚珠形变量的变化以及接触力的变化，进而借助接触力的变化将故障引入5自由度轴承动力学模型，从而实现轴承多故障的模拟。
三、上位机
为了方便实验人员设定实验参数和读取实验结果，本实施方式中基于dspacecontroldesk软件开发上位机界面，作为其他实施方式，还可以基于labview软件开发上位机界面。其中，上位机界面主要包括工况设定模块、轴承及故障参数配置模块以及结果展示与分析模块。
(1)工况设定模块，该模型用于供实验人员设定轴承实验台架的目标转速和目标载荷，设定的目标转速和目标载荷通过串口通讯或者can通讯分别发送给电机控制器和液压加载系统控制器，同时，轴承实验台架的实际转速和实际载荷通过转速传感器和力传感器直接反馈给上位机。
(2)轴承及故障参数配置模块，该模型主要用于供实验人员设定轴承的基本特性参数和故障几何参数。其中，轴承的基本特性参数包括轴承的内圈、外圈及减震器的质量、刚度、阻尼、轴承滚珠的个数等；故障几何参数包括故障的数量、故障的位置、故障的宽度和长度(即故障的尺寸)等。
(3)结果展示及分析模块，该模块负责通过a/d采集直接获取5自由度轴承动力学模型输出的轴承x和y轴瞬态加速度，并基于获得的加速度进行时域和频域特征提取和包络线频谱的计算，并把结果以图表的形式展示出来。
利用本实施方式的轴承故障模拟装置进行轴承故障模拟时，将5自由度轴承动力学模型放在dspace实时仿真系统中运行，同时完成以下连接：
(1)将轴承实验台架中转速传感器和力传感器的输出分别通过hall信号和ad信号输入dspace实时仿真系统中的5自由度轴承动力学模型；
(2)在上位机与电机控制器、液压加载系统控制器和dspace实时仿真系统之间连接3条can线，通过can通讯将轴承实验台架的目标转速发送给电机控制器，将轴承实验台架的目标载荷发送给液压加载系统控制器，将轴承的基本特性参数和故障几何参数发送给dspace实时仿真系统中的5自由度轴承动力学模型；
(3)将转速传感器检测到的实际转速、力传感器检测到的实际载荷、以及5自由度轴承动力学模型产生的x和y轴加速度，分别以hall信号和ad信号输入上位机。
完成上述连接后，即可利用轴承故障模拟方法进行轴承故障模拟实验，具体如下：
首先，通过上位机设定轴承实验台架中驱动电机的目标转速和液压加载系统的目标载荷以及轴承的基本特性参数和故障几何参数；
上位机设置的目标转速和目标载荷，经轴承实验台架中的驱动装置和加载装置后生成实际转速和实际载荷，实际转速和实际载荷被实时输入5自由度轴承动力学模型，其中，实际转速对应内圈旋转转速ωs，实际载荷对应轴承动力学模型中的fx和fy；
上位机设置的轴承的基本特性参数被输入5自由度轴承动力学模型，用于将5自由度轴承动力学模型固定为一种具体的轴承；
根据上位机设置的故障几何参数，结合相应的故障模型计算出滚珠形变量δ′j，将δ′j代入接触力公式计算出接触力，再将计算出的接触力代入5自由度轴承动力学模型完成故障引入；
最后，求解5自由度轴承动力学模型得到与引入故障相对应的轴承振动加速度，实现轴承故障模拟。
轴承故障模拟方法实施例：
如图8所示，本实施例的轴承故障模拟方法包括以下步骤：
1)将设定的轴承故障引入到预先构建好的轴承动力学模型中，并将轴承基本特性参数输入到轴承动力学模型中；
2)将轴承实验台架上驱动装置输出的实际转速和加载装置输出的实际载荷实时输入到轴承动力学模型中；
3)求解轴承动力学模型得到与设定的轴承故障相对应的轴承振动加速度，完成轴承故障模拟；
其中，设定的轴承故障根据设定的故障位置、故障尺寸和故障数量确定，并根据当轴承有故障时，接触到故障的滚珠的形变量会发生变化，进而滚珠与滚道的接触力会发生变化，将设定的轴承故障引入到轴承动力学模型中；轴承基本特性参数包括轴承内圈的质量、刚度、阻尼，轴承外圈的质量、刚度、阻尼，减震器的质量、刚度、阻尼，以及滚珠的个数。
本实施例的轴承故障模拟方法的具体实现方式已在轴承故障模拟装置实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。另外，需要说明的是，本实施例的轴承故障模拟方法中的序号仅是为了表述方便而添加的，并不构成对向轴承动力模型中输入信息顺序的限定，在实际应用中，故障的引入、轴承基本特性参数的输入以及实际转速和实际载荷的输入三者之间的顺序可以根据实际需要灵活调整。
综上所述，本发明采用半实物仿真的形式实现轴承故障模拟，其中，转速和加载部分保留实物，即轴承故障模拟所需的实际转速和实际载荷均从实际轴承实验台架中获取；轴承部分采用数学模型，即采用轴承动力学模型代替实际的轴承。进行故障模拟时，轴承实验台架中的驱动装置和加载装置与轴承动力学模型同时运行，轴承实验台架实时地将其产生的实际转速和实际载荷发送给轴承动力学模型，这样整个实际台架的转速和载荷的动态特性(如时间延迟、动态波动等)就被实时地输入轴承动力学模型，由于这种动态特性能够真实地反映出各种外界环境因素以及轴承台架中其他部件的机械或电气特性对轴承运行的影响，即能真实地反映轴承的实际运行工况，进而能提高轴承故障模拟的精度；同时，采用轴承动力学模型代替实际的轴承，通过修改轴承特性参数以及故障位置、尺寸和数量等故障几何参数，就能完成不同轴承在不同故障情况下的故障模拟，能够提高轴承故障模拟的效率，并且能模拟实际实验中因安全因素无法进行的极端故障。
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