Получение набора вибрационных сигналов подшипника качения с разной степенью развития локального дефекта наружного кольца

Введение. Создание достоверных тестовых наборов вибрационных сигналов остаётся актуальной задачей вибродиагностики, поскольку отсутствие данных по ранним стадиям дефектов подшипников затрудняет разработку и верификацию алгоритмов диагностики. Экспериментальное получение таких сигналов ограничено отсутствием соответствующих образцов и длительностью процесса накопления повреждений. Существующие подходы на основе численного моделирования требуют высоких вычислительных ресурсов и сложной настройки, что снижает их практическую применимость. Пробелом в исследованиях является отсутствие простой, воспроизводимой и валидированной методики генерации сигналов, отражающих последовательное развитие дефекта. Целью данного исследования является создание упрощённой методики формирования тестового набора сигналов вибрации подшипника, который может использоваться для разработки и верификации новых методов вибродиагностики. Методика основана на комбинировании экспериментальных и смоделированных сигналов.

Материалы и методы. В исследовании использовались экспериментальные данные, полученные с лабораторной установки, моделирующей роторный узел с подшипником качения (тип 180603). Для имитации ранних стадий дефекта (единичная и двойная ямка выкрашивания) применялось динамическое моделирование методом конечных элементов в среде ANSYS Mechanical (версия 16.2) на основе плоских элементов Plane162 с применением пакета LS-DYNA. Полученные последовательности импульсов накладывались на измеренный сигнал исправного подшипника для формирования комбинированных сигналов. Все сигналы (3 экспериментальных, 2 комбинированных) подвергались анализу с использованием преобразования Фурье, полосовой фильтрации (октавная полоса частот 5,4 кГц) и расчёта статистических параметров: СКЗ, пик-фактора и коэффициента эксцесса. Анализ проводился в среде Mathcad (версия 15.0).

Результаты исследования. В результате исследования разработана методика формирования тестового набора вибрационных сигналов подшипника качения, охватывающая исправное состояние и последовательное развитие локального дефекта наружного кольца. Результаты показали корреляцию между амплитудой вибрационных сигналов и стадиями дефектов — наблюдался рост амплитуд в высокочастотной области, что подтверждает взаимодействие тел качения с дефектными поверхностями. Дополнительный статистический анализ выявил увеличение диагностических параметров (среднего квадратического значения, пик-фактора и коэффициента эксцесса) по мере развития повреждения. Установлено, что смоделированные сигналы воспроизводят характерные признаки дефекта и корректно вписываются в общую тенденцию изменения параметров.

Обсуждение. Полученные данные демонстрируют, что предложенная методика позволяет упрощенно формировать эталонные сигналы без необходимости длительного накопления экспериментальных данных или повреждения оборудования. Физическая обоснованность смоделированных импульсов и согласованность динамики роста диагностических параметров с реальными данными подтверждают возможность использования данной методики для стандартизированного тестирования методов вибродиагностики.

Заключение. Разработанная методика обеспечивает эффективное и воспроизводимое формирование тестовых наборов сигналов для вибродиагностики. Она может быть использована для ускоренной верификации алгоритмов, снижения затрат на эксперименты и повышения надёжности диагностики. В дальнейшем планируется упрощение генерации импульсов на основе аналитического моделирования и расширение методики на другие типы подшипников и дефектов.

1. Nguyen Duc Thuan, Hoang Si Hong. HUST Bearing: A Practical Dataset for Ball Bearing Fault Diagnosis. arXiv. 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.12533

2. Jing Liu, Yimin Shao. A New Dynamic Model for Vibration Analysis of a Ball Bearing due to a Localized Surface Defect Considering Edge Topographies. Nonlinear Dynamics. 2015;79:1329–1351. https://doi.org/10.1007/s11071-014-1745-y

3. Halmos F, Wartzack S, Bartz M. Investigation of Failure Mechanisms in Oil-Lubricated Rolling Bearings under Small Oscillating Movements: Experimental Results, Analysis and Comparison with Theoretical Models. Lubricants. 2024;12(8):271. https://doi.org/10.3390/lubricants12080271

4. Jain PH, Bhosle SP. Mathematical Modeling, Simulation and Analysis of Non-Linear Vibrations of a Ball Bearing due to Radial Clearance and Number of Balls. Materials Today: Proceedings. 2023;72(3):927–936. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.09.093

5. Menck O. The Finite Segment Method–A Numerical Rolling Contact Fatigue Life Model for Bearings Subjected to Stochastic Operating Conditions. ASME Journal of Tribology. 2023;145(3):031201. https://doi.org/10.1115/1.4055916

6. Wrzochal M, Adamczak S. The Problems of Mathematical Modelling of Rolling Bearing Vibrations. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. 2020;68(6):1363–1372. https://doi.org/10.24425/bpasts.2020.135398

7. Lihai Chen, Ao Tan, Lixiu Yang, Xiaoxu Pang, Ming Qiu. Defect Size Evaluation of Cylindrical Roller Bearings with Compound Faults on the Inner and Outer Races. Mathematical Problems in Engineering. 2022;2022(2):1–12. https://doi.org/10.1155/2022/6070822

8. Malanchuk Y, Moshynskyi V, Korniienko V, Malanchuk Z. Modeling the Process of Hydromechanical Amber Extraction. E3S Web of Conferences. 2018;60:00005. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20186000005

9. Ali Safian, Hongsheng Zhang, Xihui Liang, Nan Wu. Dynamic Simulation of a Cylindrical Roller Bearing with a Local Defect by Combining Finite Element and Lumped Parameter Models. Measurement Science and Technology. 2021;32(12):125111. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac2317

10. Tianhe Wang, Lei Chen, Hong Lu, Shaojun Wang, Zhangjie Li, Wei Zhang, et al. Finite Element Dynamic Model and Vibration Signal Simulation of Rolling Bearing with Local Faults. In: Proc. 18th International Manufacturing Science and Engineering Conference. New York NY: ASME. 2023;2:105504. https://doi.org/10.1115/MSEC2023-105504

11. Gururaj Upadhyaya, Kumar HS. A Comparative Study of Statistical Features Used in Rolling Element Bearing Health Diagnosis Using Six Sigma Approach. In: Proc. 2nd Indian International Conference on Industrial Engineering and Operations Management. Southfield, MI: IEOM Society International; 2022. https://doi.org/10.46254/IN02.20220244

12. Jain PH, Bhosle SP. Study of Effects of Radial Load on Vibration of Bearing Using Time-Domain Statistical Parameters. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1070:012130. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1070/1/012130

13. Trufanov NN, Churikov DV, Kravchenko OV. Application of Spectral Analysis Methods for Data Pre-processing of Anomaly Detection Problem of Vibration Diagnostics in Non-destructive Testing. Journal of Physics: Conference Series. 2021;2127:012028. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2127/1/012028

14. Garad A, Sutar KB, Shinde VJ, Pawar AC. Analysis of Vibration Signals of Rolling Element Bearing with Localized Defects. International Journal of Current Engineering and Technology. 2017;7:37–42.

15. Tetter V, Tetter A, Denisova I. Researching the Possibility of Determining the Technical Condition of Rolling Bearings by the Kurtosis Factor. In: Proc. International Russian Automation Conference (RusAutoCon). New York City: IEEE; 2023. P. 149–153. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272799

16. Puzyr V, Mykhalkiv S. Classification of the Technical Condition of Rolling Bearing by the Scalar Indicators and Support Vector Machines. Progresivna tehnìka, tehnologìâ ta ìnženerna osvìta. 2023.