軸承與齒輪箱的案例
齒輪箱及齒輪箱軸承應(yīng)用（下）
齒輪箱及齒輪箱軸承應(yīng)用（下）
在大部分的齒輪箱設(shè)計(jì)過程中，齒輪箱的工程師會(huì)參與軸承需求的討論，但是他們只是給軸承廠家提出任務(wù)，并非會(huì)對(duì)軸承知識(shí)或者軸承應(yīng)用有更深入的了解。這些任務(wù)最終還是需要軸承應(yīng)用工程師在軸承的選型和應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中來翻譯和滿足。
特殊定制發(fā)生的頻率相比于普通的軸承選型而言低很多。日常工作中大量的軸承應(yīng)用工作最重要的技能應(yīng)該是根據(jù)要求，選擇合適的軸承，并對(duì)不合適的需求進(jìn)行轉(zhuǎn)化，懸著正確的軸承，并進(jìn)行正確的使用。
上述這些就是我們所說的“齒輪箱軸承應(yīng)用技術(shù)”。
齒輪箱軸承應(yīng)用技術(shù)，是針對(duì)應(yīng)用在齒輪箱環(huán)境下的軸承的技術(shù)。研究目標(biāo)是軸承，研究環(huán)境是齒輪箱。同時(shí)齒輪箱軸承應(yīng)用技術(shù)又是一門“應(yīng)用技術(shù)”，而非軸承本身的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。
從一個(gè)角度講，我們討論的是如何將標(biāo)準(zhǔn)軸承更好的應(yīng)用在齒輪箱中。
展開 齒輪箱及齒輪箱應(yīng)用（上）
齒輪是齒輪箱的關(guān)鍵零部件，兩個(gè)齒輪在嚙合時(shí)，嚙合點(diǎn)不僅承載，而且有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此具有一定的復(fù)雜性。但是齒輪的運(yùn)動(dòng)是出現(xiàn)在成對(duì)的齒輪中的，單獨(dú)一個(gè)齒輪自身是不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。
綜上所述，齒輪箱中既承載又運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件包括齒輪和軸承。因此這兩類零部件是齒輪箱設(shè)計(jì)、應(yīng)用、維護(hù)和故障診斷中最關(guān)鍵的部分。也是故障高發(fā)的零部件。在這兩者中，軸承又是在自身內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此就單個(gè)零部件而言，可以說是更加復(fù)雜的。
在齒輪箱的設(shè)計(jì)階段，軸承的設(shè)計(jì)選型是難點(diǎn)之一；在齒輪箱發(fā)生故障的時(shí)候，軸承是故障多發(fā)的元件之一。可以說，軸承對(duì)于齒輪箱而言是一個(gè)重要的關(guān)鍵零部件，并且其選擇、裝配、使用與維護(hù)也具有相當(dāng)?shù)碾y度。
從工程技術(shù)人員的知識(shí)儲(chǔ)備來看，齒輪箱的核心技術(shù)是齒輪的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造。因此，齒輪箱工程師對(duì)軸承技術(shù)的掌握相對(duì)有限。軸承對(duì)于齒輪箱廠家和用戶而言是一個(gè)應(yīng)用零件，工程師和最終用戶都很少參與軸承的設(shè)計(jì)，基本上都是在在作為標(biāo)準(zhǔn)件的眾多軸承型號(hào)中進(jìn)行選用。
展開 齒輪箱軸承內(nèi)圈脫開案例分析（一）
某工程師閱讀本公號(hào)有關(guān)調(diào)心滾子軸承軸向負(fù)荷的文章，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中遇到類似情況。其結(jié)構(gòu)如圖：
圖中兩根齒輪軸通過齒輪嚙合連接，照片中標(biāo)識(shí)的部分為一根軸的支撐軸承位置。該設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)調(diào)心滾子軸承。在齒輪箱正常運(yùn)行的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)側(cè)的兩個(gè)軸承滾子出現(xiàn)脫開的現(xiàn)象。工程師發(fā)來一段視頻，即使軸從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)，兩個(gè)軸承的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子依然可以自由滑行一段時(shí)間（時(shí)間很短）。同時(shí)在之前的一些機(jī)器中，根據(jù)工程師的反應(yīng)，這根軸上的軸承經(jīng)常出現(xiàn)問題。這是一個(gè)很有意思的案例，在這里跟大家分享一下分析的過程。
關(guān)于調(diào)心滾子軸承的脫開問題：
一般常見的調(diào)心滾子軸承（圓環(huán)滾子軸承除外）是有兩列滾動(dòng)體并且可以調(diào)心的軸承。兩列滾子通過滾子母線的特殊設(shè)計(jì)以及軸承內(nèi)外圈的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軸承承受偏心負(fù)荷的能力。總體而言，調(diào)心滾子可以承受較大的徑向負(fù)荷，一定的軸向負(fù)荷以及一定的偏心負(fù)荷。
上述的調(diào)心滾子軸承負(fù)荷能力介紹是關(guān)于這個(gè)軸承的通用負(fù)荷能力的介紹。事實(shí)上這類軸承的軸向負(fù)荷承載能力受到軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，有一定的限制。
首先，當(dāng)調(diào)心滾子軸承承受單向軸向負(fù)荷的時(shí)候，兩列滾子中與負(fù)荷相對(duì)一側(cè)的滾子受到內(nèi)圈、外圈滾道的擠壓，承受軸向負(fù)荷。相反一側(cè)的滾子則不承受這樣的軸向負(fù)荷。如果軸承承受了一定的徑向負(fù)荷，由于軸承自身結(jié)構(gòu)的原因，上述不承受外界徑向負(fù)荷的滾子依然會(huì)被壓緊，其壓力角有一定的軸向分量。因此，此時(shí)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)起來，軸承的這一列滾子會(huì)和另一列滾子一起被壓緊，并投入運(yùn)行。
如果軸承承受的外界軸向負(fù)荷大于軸承不承受負(fù)荷一側(cè)的滾子受力的軸向分量的時(shí)候，這一列的滾子就會(huì)出現(xiàn)“松脫”的現(xiàn)象。當(dāng)軸承運(yùn)行的時(shí)候，這一列滾子由于沒有足夠的正壓力導(dǎo)致滾動(dòng)體在滾道內(nèi)部不能形成純滾動(dòng)。通常是滑動(dòng)和滾動(dòng)混雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
展開 齒輪箱軸承內(nèi)圈脫開案例分析（三）
軸承的受力
我們通過上述分析和故障現(xiàn)象可以看到兩個(gè)調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈脫開，這就是說兩個(gè)軸承承受軸向力，軸向力的方向是施加在齒輪箱內(nèi)側(cè)的軸承內(nèi)圈以及齒輪箱外側(cè)的軸承外圈之間的，如下圖所示：
案例中，兩個(gè)軸承內(nèi)圈都呈現(xiàn)脫開的狀態(tài)，因此應(yīng)該是兩個(gè)軸承都承受到了軸向負(fù)荷，方向如圖。
在上一篇文章中，我們分析可知，這樣的軸承系統(tǒng)，內(nèi)部齒輪捏合的軸向力相互抵消，因此不會(huì)產(chǎn)生軸向負(fù)荷（即便有，也不會(huì)很大），因此這個(gè)軸向負(fù)荷的來源不是齒輪嚙合。同時(shí)如果是齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向負(fù)荷，在斜齒齒輪單方向運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，軸向力方向也只會(huì)是一個(gè)方向的，而不會(huì)是雙向的。
因此，這個(gè)軸向力應(yīng)該來自外界。
這個(gè)齒輪箱并無外界負(fù)載，而相對(duì)于軸系統(tǒng)而言有來自外界的軸向負(fù)荷，那么就應(yīng)該檢查軸承系統(tǒng)的布置。
首先，根據(jù)軸承布置的相關(guān)知識(shí)，我們知道軸系統(tǒng)通常有定位加非定位系統(tǒng)，和交叉定位系統(tǒng)。
其次，對(duì)于定位加非定位系統(tǒng)而言，定位端軸承承受軸向負(fù)荷，非定位端軸承不承受軸向負(fù)荷，設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)對(duì)非定位端軸承軸向放開，使之不承受軸向負(fù)荷。顯然，這樣的承載狀態(tài)和本案不符，如果是定位加非定位結(jié)構(gòu)，那么非定位端軸承不會(huì)承受軸向力。
兩端軸承均承受軸向力，切軸向力方向相反的情況僅僅出現(xiàn)在交叉定位結(jié)構(gòu)中。因此可以推斷這個(gè)軸系統(tǒng)是交叉定位結(jié)構(gòu)。
展開 
齒輪箱軸承內(nèi)圈脫開案例分析（二）
上一篇文章對(duì)某齒輪箱軸系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)心滾子軸承單列脫開的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，同時(shí)說明調(diào)心滾子承受軸向負(fù)荷的時(shí)候，當(dāng)軸向負(fù)荷達(dá)到一定程度之后，有可能造成不承受軸向負(fù)荷一側(cè)的滾子出現(xiàn)“松脫”的現(xiàn)象。
既然這種“松脫”現(xiàn)象對(duì)軸承運(yùn)行是有害的，那么表明調(diào)心滾子軸承不能承受這么大的軸向負(fù)荷。對(duì)于這個(gè)案例里的設(shè)計(jì)，我們首先需要分析軸承的這個(gè)大軸向負(fù)荷的來源，然后對(duì)這個(gè)軸向負(fù)荷的合理性進(jìn)行判斷。然后根據(jù)相應(yīng)的結(jié)論找到原因，并消除。本文重點(diǎn)介紹這個(gè)分析過程。
首先，齒輪軸結(jié)構(gòu)如圖：
圖中，有標(biāo)記的是軸承出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)異常的位置。這根軸上有兩個(gè)斜齒齒輪，同時(shí)兩個(gè)斜齒齒輪螺旋角方向相反，并且兩個(gè)齒輪直徑相仿。
以上的觀察實(shí)際上對(duì)后續(xù)判斷十分重要。我們可以大致畫一下這根軸的受力簡(jiǎn)圖：
圖中僅僅畫出了兩個(gè)齒輪嚙合的受力。假設(shè)照片中的齒輪軸是被動(dòng)齒輪，自左向右看是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則齒輪嚙合受力大致如上圖所示。（事實(shí)上齒輪軸可能是主動(dòng)齒輪，可能是相反方向旋轉(zhuǎn)，這些情況受力的對(duì)稱性不變，讀者可以自行分析）。
從圖中可以看到兩個(gè)齒輪受力點(diǎn)處承受一個(gè)從紙面向外的齒輪嚙合周向負(fù)荷。同時(shí)齒輪承受一個(gè)向外的軸向負(fù)荷的。
齒輪嚙合處的周向負(fù)荷自上而下看，就是軸系統(tǒng)的一個(gè)徑向負(fù)荷。
因此這個(gè)軸系統(tǒng)承受兩個(gè)齒輪嚙合帶來的軸向力和徑向力。徑向力暫且擱置。我們看軸向力。
從圖中不難察覺兩個(gè)齒輪齒數(shù)和節(jié)徑相仿。由此可以得知，兩個(gè)齒輪的嚙合力相差不大。換言之，這個(gè)軸系統(tǒng)中兩個(gè)齒輪嚙合帶來的軸向力應(yīng)該有很大一部分相互抵消，而不傳導(dǎo)到軸承上。
通過上面分析我們知道這個(gè)軸承系統(tǒng)中，兩個(gè)軸承應(yīng)該承受一個(gè)較大的徑向負(fù)荷，同時(shí)有一個(gè)不大的軸向負(fù)荷施加在兩個(gè)軸承構(gòu)成的軸系統(tǒng)中。
展開 論文精讀 兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的載荷計(jì)算與性能分析
故對(duì)風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率、振型和動(dòng)能與應(yīng)變能分布，并在額定湍流風(fēng)速下，分析了風(fēng)電機(jī)組軸承和齒輪箱與底盤連接處的動(dòng)態(tài)載荷。
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的載荷計(jì)算與性能分析2015.zip
【技術(shù)】風(fēng)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷
本文針對(duì)NASA-IMS開源軸承數(shù)據(jù)集和東南大學(xué)齒輪數(shù)據(jù)集，基于天洑軟件DTEmpower數(shù)據(jù)建模分析軟件，開展了軸承參數(shù)報(bào)警和齒輪箱故障診斷相關(guān)的技術(shù)分析工作。
圖2 IMS軸承故障實(shí)驗(yàn)演示圖
數(shù)據(jù)集下載地址為：
https://ti.arc.nasa.gov/tech/dash/groups/pcoe/prognostic-data-repository/
東南大學(xué)齒輪箱故障數(shù)據(jù)集下載地址為：
https://github.com/cathysiyu/Mechanical-datasets
狀態(tài)監(jiān)測(cè) - 參數(shù)報(bào)警
1. 敏感特征抽取加工
由于原始振動(dòng)信號(hào)噪聲較多，且變化不夠直觀，運(yùn)維監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)一般不會(huì)采用原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)，而是通過數(shù)學(xué)方法加工得到可以放大設(shè)備異常變化的敏感特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)及時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警。常使用的監(jiān)測(cè)報(bào)警特征包含均方值、有效值比例、峰度、偏度、近似熵、模糊熵等。基于NASA-IMS軸承數(shù)據(jù)集，測(cè)試不同報(bào)警特征的告警效果，如圖3所示。
圖3 不同工藝參數(shù)曲線圖
從上述圖中，可以看到這些中間敏感特征可以提前2-4天進(jìn)行異常告警，其中平均幅值和模糊熵的報(bào)警效果優(yōu)于其它三個(gè)指標(biāo)，近似熵效果最差。說明基于數(shù)學(xué)手段抽取的敏感特征指標(biāo)對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)的路徑是有效的，但不同的指標(biāo)效果表現(xiàn)有較大的差異。
展開 samcef 風(fēng)機(jī)分析（windturbine）
功能包括風(fēng)輪、主軸、軸承、齒輪箱、機(jī)艙罩、發(fā)電機(jī)和風(fēng)塔等部件的組合建模，系統(tǒng)的固有頻率和動(dòng)力載荷評(píng)估，與動(dòng)力響應(yīng)直接相關(guān)的疲勞壽命預(yù)估，以及各個(gè)部件的局部應(yīng)力分析。
在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流程中，SAMCEF Wind Turbines既可用于計(jì)算精度要求較低的初步設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及風(fēng)機(jī)認(rèn)證階段，也可用于精度要求很高的高級(jí)設(shè)計(jì)、原型樣機(jī)的相關(guān)性對(duì)比分析及故障診斷。
精確性：SAMCEF Wind Turbines采用全耦合一體化分析方法得到最精確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)載荷。要掌握風(fēng)機(jī)真實(shí)的動(dòng)態(tài)行為，就必須充分考慮氣動(dòng)彈性、機(jī)械系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的各種耦合效應(yīng)。SAMCEF Wind Turbines采用基于非線性有限元理論模擬柔性多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和基于動(dòng)量-葉素理論來表征空氣動(dòng)力學(xué)、并與控制系統(tǒng)相聯(lián)的全耦合、一體化方法，來構(gòu)建包含部件柔性、非線性及部件之間(包含機(jī)電系統(tǒng)之間)相互作用的高精度整機(jī)模型，從而充分考慮部件柔性、非線性及部件之間、機(jī)電系統(tǒng)之間的耦合作用。依靠全耦合一體化的高精度整機(jī)模型，可以幫助風(fēng)機(jī)廠商得到更加精確的動(dòng)態(tài)載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，進(jìn)而優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)可靠性。
我這里有samcef在風(fēng)機(jī)仿真分析方面的資料以及模型，大家可以參考學(xué)習(xí)一下，下載地址：
http://yun.baidu.com/pcloud/album/info?query_uk=1882165809&album_id=5971690144573937933
展開 ANSYS Workbench模擬齒輪箱變速器齒輪嚙合 ￥19.89
</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202505/2f499e2a984aebe7760bc7c6d688cd60.png"></p><p>（7）計(jì)算結(jié)果</p><p>最大變形云圖如下圖所示，可以看到主動(dòng)輪最大變形為21.648mm，位于主動(dòng)輪的齒輪面處，從動(dòng)輪的最大變形為21.648mm，位于從動(dòng)輪的齒輪面處，而設(shè)置回轉(zhuǎn)的齒輪內(nèi)環(huán)處的變形幾乎為0，最大變形從齒輪面向內(nèi)齒輪逐漸遞減。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202505/9796ba176812e6a110f1d79d1ecb5fe5.png"></p><p>最大應(yīng)力云圖如下圖所示，可以看到主動(dòng)輪最大應(yīng)力為277.22Mpa，位于齒輪面的嚙合處，而未嚙合處齒輪應(yīng)力為0。
展開 齒輪與齒輪箱振動(dòng)噪聲機(jī)理分析及控制
鍵槽或花鍵槽在嚙合力作用下，使得齒輪和花鍵之間間隙產(chǎn)生無規(guī)則的變化，從而產(chǎn)生與周節(jié)差引發(fā)的相似的噪聲。
2
滑油噴注產(chǎn)生的噪聲
一種齒寬較大的直齒齒輪，在嚙入端吸入過多的滑油，這些滑油滯留于齒根間隙中而無法迅速從端部排出形成“困油現(xiàn)象”。困油現(xiàn)象發(fā)生在兩個(gè)嚙合齒的接觸部位形成的一個(gè)封閉容積內(nèi)。這種封閉容積在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生容積變化。由于滑油是不可壓縮液體（壓縮性極小，體積模量為1.4×109），即使很小的容積變化都會(huì)使齒輪軸上的附加載荷發(fā)生周期性的劇烈變化，使齒輪激勵(lì)振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。另外，在容積增大時(shí)，壓力即迅速減少，從而使得輪齒間迅速減壓造成“空蝕”，使齒輪激發(fā)出強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，同時(shí)輻射出噪聲。與此同時(shí)，高壓油從齒端部高速噴射，射流沖擊齒輪箱箱體也會(huì)引發(fā)嚙合頻率激勵(lì)而產(chǎn)生齒頻噪聲及其倍頻噪聲。
3
軸承力激勵(lì)
如果齒輪傳遞扭矩為船用螺旋槳推力（作用在推力軸承上）與扭矩，則螺旋槳在不均勻流場(chǎng)中產(chǎn)生的非定常軸向力或扭矩通過軸系傳遞到軸承，由軸承傳遞給齒輪，對(duì)齒輪產(chǎn)生不穩(wěn)定的激勵(lì)，此即為軸承力激勵(lì)。由此種激勵(lì)使齒輪產(chǎn)生振動(dòng)輻射出噪聲，這種噪聲與軸承力的激勵(lì)密切相關(guān)。
展開 齒輪傳動(dòng)及齒輪箱（四）
齒輪傳動(dòng)及齒輪箱（四）
齒輪傳動(dòng)及齒輪箱（二）
齒輪傳動(dòng)及齒輪箱（二）
《齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)》
目錄：
序
前言
第1章 概論
1.1 齒輪及齒輪箱故障診斷在設(shè)備故障診斷中的作用和意義
1.2 齒輪及齒輪箱診斷技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
第2章 齒輪箱中零部個(gè)的常見失效形式
2.1 齒面磨損
2.2 齒面膠人事與擦傷
2.3 齒面接觸疲勞
2.4 彎曲疲勞與斷齒
2.5 軸不平衡、不對(duì)中和彎曲
2.6 滋動(dòng)軸承的失效
2.7 小經(jīng)地
第3章 齒輪及齒輪箱振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理
3.1 齒輪振動(dòng)機(jī)理分析
3.2 齒輪箱故障的主要形式
3.3 齒輪產(chǎn)生故障時(shí)的調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶分布特點(diǎn)
3.4 齒輪箱中滾動(dòng)承沖擊振動(dòng)的產(chǎn)生與特點(diǎn)
3.5 齒輪箱沖擊振動(dòng)的幾種基本形式
3.6 齒輪箱噪聲產(chǎn)生的機(jī)理
第4章 齒輪及齒輪箱振動(dòng)信號(hào)處理方法
4.1 時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征及無量綱參數(shù)
4.2 同周期相加平均
4.3 頻譜分析與離散譜分析校正技術(shù)
4.4 倒頻譜分析
4.5 細(xì)化譜分析
4.6 傳遞函數(shù)
4.7 解調(diào)分析
第5章 齒輪箱典型故障的振動(dòng)信號(hào)特征
5.1
5.2 齒形誤差
5.3 齒輪均勻磨損
5.4 軸不對(duì)中
5.5 箱體共振
5.6 軸輕度彎曲
5.7 軸嚴(yán)重彎曲
5.8 軸向竄動(dòng)
5.9 軸有較嚴(yán)重的不平衡
5.10 軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕
5.11 小結(jié)
第6章 齒輪箱振動(dòng)與噪聲測(cè)試方法與監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
……
第7章 齒輪箱故障診斷方法
第8章 齒輪箱故障診斷的儀器
第9章 齒輪及齒輪箱故障診斷的工業(yè)實(shí)例
參考文獻(xiàn)
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齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)
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齒輪傳動(dòng)及齒輪箱（一）
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