基于VB和Matlab的滾動軸承壽命圖譜系統(tǒng)設計

朱亮亮，高　矚，吉曉民

(1.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學，陜西 西安 710054)

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基于VB和Matlab的滾動軸承壽命圖譜系統(tǒng)設計

朱亮亮1，高矚2，吉曉民2

(1.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學，陜西 西安 710054)

摘要：運用Access，Matlab和VB開發(fā)滾動軸承壽命圖譜應用軟件，實現了軸承疲勞壽命四維圖譜的可視化.圖譜的建立能夠直觀地描述影響滾動軸承壽命的因素作用范圍及大小，使其壽命預估更為生動、直觀、準確，更好地服務于軸承企業(yè)的設計和生產活動.

關鍵詞：滾動軸承； 壽命預測； 編程； 圖譜； 可視化

滾動軸承主要功能是支承軸及軸上的回轉部件，保證其旋轉精度，其運行狀態(tài)直接影響整機性能及工作安全[1]，同時又是機械設備中最容易出現問題的部件之一.相關研究表明，大約30%的機械故障是由滾動軸承引起的，因此準確有效地對滾動軸承疲勞壽命進行研究和預測，成為保證機械設備正常運行工作的關鍵因素之一[2].將人機界面友好的VB和運算、繪圖功能強大的Matlab有機結合，可實現滾動軸承疲勞壽命的可視化，更有利于軸承疲勞壽命可視化控制.

1滾動軸承壽命計算模型的建立

1.1軸承疲勞壽命影響因素的確定在1947年和1952年Lundberg和Palmyren創(chuàng)立了L-P壽命理論(動態(tài)剪切應力軸承壽命學說)，即傳統(tǒng)滾動軸承壽命理論.L-P理論中當可靠度為90%時，軸承接觸表面出現疲勞剝落時所對應的轉數或小時數[3-4]，其基本方程

L10=(C/P)ε,

(1)

其中，C為額定動載荷，P為當量動載荷，ε為參數(球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3)，L10為可靠性為 90%的軸承基本額定壽命，106r.

L-P理論是在可靠度一定、載荷一定和轉速一定的工況下，尋求滾動軸承的疲勞壽命值，對軸承工作環(huán)境、工作溫度、潤滑情況和材料性能等諸多因素進行考慮及深入研究，從而影響機械裝備的有效安全使用.

為了彌補L-P壽命理論的不足，全球著名的軸承企業(yè)如SKF，FAG，INA等，考慮潤滑、污染等因素對軸承壽命的影響，引入了壽命修正系數，并建立了軸承基本額定壽命的修正公式，如表1所示.

表1　修正系數及修正公式

序號1中的系數aSKF綜合考慮了壓力、黏度比和清潔度等因素對壽命的影響；序號2中的系數a23重點考慮材料基本值和污染物對壽命的影響；序號3中的系數avc考慮了材料的疲勞極限，載荷分布情況，載荷、潤滑和污染物聯(lián)合作用下對壽命的影響；序號4中的系數aISO除了考慮幾何尺寸和軸承材料的影響外，重點研究潤滑情況、雜質顆粒大小、運轉環(huán)境、污染情況和軸承載荷等因素的影響.

綜合上述研究成果，建立的修正系數及計算公式在形式上有所差異，但本質上是一致的.借鑒前人研究的基礎上，結合軸承企業(yè)的調研，最終確定了影響軸承疲勞壽命的6個主要因素：可靠度、材料性能、潤滑情況、承載情況、污染情況和溫度情況，并最終將其轉化為6個修正系數.

1.2軸承當量動載荷計算力學計算主要是通過計算軸承承受的徑向載荷，最終確定得到軸承的當量動載荷.

1.2.1最大徑向載荷確定以動力傳遞常見的齒輪傳動和帶傳動為代表，研究支承軸軸承的承載情況.軸承支承類型為常見的雙支承和三支承，通過載荷作用點位置改變、軸承類型及型號的改變，確定軸承承受的最大徑向載荷，其計算公式根據受載模型的變化而變化.例如在雙支承時，并且載荷作用在軸承之間的計算公式

(2)

其中，Fr1，Fr2分別為2個軸承徑向載荷，F為作用在軸上的載荷，l為2個軸承之間距離，a為F到軸承1的距離.

1.2.2當量動載荷確定依據計算出的Fr1，Fr2，選擇較大的代入公式

P=fP(XFr+YFa),

(3)

其中，P為當量動載荷，fP為載荷系數，X，Y為徑向、軸向動載荷系數，Fr為徑向載荷，Fa為軸向載荷.因為研究對象主要為滾針軸承，只承受徑向載荷，所以該公式可簡化為P=fPFr.

當量動載荷與后期建立的壽命模型相結合，實現軸承疲勞壽命的預估，其他支承形式及計算內容不再贅述.

1.3軸承疲勞壽命計算模型的建立在許多文獻和軸承制造企業(yè)中，通常是將可靠度、污染、潤滑和材料等壽命影響系數串聯(lián)，建立壽命公式，此方法得到了推薦[5]

Lna=A1A2A3A4(C/P)ε,

(4)

其中，A1為可靠度修正系數，A2為材料修正系數，A3為潤滑修正系數，A4為污染修正系數，Lna為可靠度為n時修正疲勞壽命.

該簡化方法從1960年就被采用，考慮了可靠度、材料、潤滑和污染4個因素對壽命的影響.TMKEN公司的研究認為工作游隙、安裝精度和工作溫度對軸承壽命也存在較大影響，壽命修正系數應該考慮更全面、更合理，結合各方面考慮因素及研究成果，對式(4)擴充整理，添加溫度、負荷2個壽命修正系數，從而建立改進的軸承壽命的計算模型

Lmn=A1A2A3LA3KA4(fTC/P)ε，

(5)

其中，A1為失效概率修正系數，A2為材料修正系數，A3L為潤滑修正系數，A3K為負荷修正系數，A4為清潔修正系數，fT為溫度修正系數，Lmn為6個修正系數作用下軸承疲勞壽命.

2壽命圖譜實現流程及軟件平臺

2.1壽命圖譜實現流程研究重點完成的工作包括：1)設計人機交互界面，并利用相關數據建立系統(tǒng)平臺；2)建立軸承力學計算的模型，計算軸承承受載荷；3)分析軸承壽命影響因素，進一步歸納壽命計算模型；4)生成軸承壽命圖譜，實現軸承壽命的可視化.工作流程圖如圖1所示.

2.2系統(tǒng)平臺支持軟件圖譜系統(tǒng)所需軟件分別為Access，Matlab和VB.利用Access進行數據結果的保存、分析和管理[6-7]，利用Matlab方便地實現壽命計算結果可視化(即生成壽命圖譜)[8]，利用VB在圖形用戶界面開發(fā)方面的優(yōu)勢，設計人機交互界面，實現與用戶的溝通交流[6].將三者有機的結合，實現應用軟件的無縫集成，提高應用軟件的易用性、通用性，提高工作效率.

2.3人機界面設計利用textbox，CheckBox，RadioButton，Button，Label，GroupBox，NumericUpDow，DataGridView和TabControl等VB的眾多控件建立軟件系統(tǒng)的操作平臺，例如登陸界面、力學計算界面、壽命計算界面和壽命圖譜生成操作界面等.壽命計算中潤滑系數確定界面，如圖2所示.

圖2　潤滑系數確定界面

3壽命圖譜設計的關鍵

3.1Access數據庫的存儲在Access中，用戶通過對數據進行分類，可以分類存儲數據，亦可以通過不同類型數據的聯(lián)系存儲，實現綜合性數據使用[9].對滾動軸承壽命影響因素相關數據整理，存儲在數據表中，以備Matlab程序調用.

3.2利用Matlab對Access數據庫的調用采用ODBC(開放式數據庫連接方式)實現Matlab對Access數據庫中相關數據的調用，步驟如下

步驟1創(chuàng)建基于Access的數據庫，使用Windows系統(tǒng)自帶的數據源工具；

步驟2實現SampleDB數據源與Access數據庫的連接；

步驟3使用database工具箱或者使用代碼編程的方式，實現在Matlab中連接ODBC數據源.

通過ODBC數據庫接口，Matlab實現了對Access數據庫中相關數據的調用，為圖譜的生成提供了數據基礎，具體編程代碼如表2所示.

3.3在Matlab環(huán)境下編寫繪圖程序通過對數據庫連接，Matlab可以實現調用Access表中的相關數據，利用所調用數據結合Matlab繪圖功能實現繪圖，具體編程代碼如表2所示.

3.4在VB環(huán)境中對Matlab的調用[10-12]目前VB 對Matlab的調用方法較多，包括 ActiveX自動化技術、MatrixVB庫和COM組件(動態(tài)鏈接庫.dll)等.ActiveX自動化技術是VB工具箱的擴充部分，但其保留了一些普通VB 空間的屬性、事件和方法，是微軟公司提供的一種用于模塊集成的新協(xié)議，本文采用此技術.

在VB中創(chuàng)建Matlab的ActiveX對象，使用ActiveX對象所具有的各種方法(函數)，實現對Matlab的調用.

步驟1在當前項目中添加COM組件.選擇菜單“項目”→“添加引用”，在彈出的對話框中點擊“COM”選項卡，然后在下拉框中選擇“MATLAB Application(Version 7.0)Type Library”，點擊確定.

步驟2啟動Matlab的自動化服務.可以采用Matlab=New MLAppMLApp，此方法必須經過步驟1COM組件的添加；也可以采用較為常用的Matlab=CreateObject("Matlab.Application")，此方法也叫傳統(tǒng)調用方法.

步驟3在步驟2中生成的ActiveX對象方法、函數和Matlab自動化服務器之間，進行命令和數據的傳遞，具體編程代碼如表2所示.

表2　編程代碼一覽表

4壽命圖譜生成與結果分析

4.1圖譜生成該軟件系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的調用方法，即MatLab=CreateObject("Matlab.Application").將Matlab編好的程序賦值給字符串，字符串可以任意命名如strl1，strl2等，在VB的程序中通過啟動Matlab軟件，執(zhí)行已經賦值的字符串達到調用Matlab實現繪圖的功能.當在圖譜生成界面中，選擇失效概率系數、負荷系數和材料系數時生成的圖譜如圖3所示.

其中X軸為失效概率系數，Y軸為負荷系數，Z軸為軸承疲勞壽命，顏色各異的層為材料系數.同時能夠生成X軸的切面圖(平面圖)，如圖4a所示.該平面圖中X軸代表負荷系數，Y軸代表軸承壽命，5種顏色各異的層代表材料系數.生成Y軸的切面圖(平面圖)，如圖4b所示.該平面圖中X軸代表失效概率系數，Y軸代表軸承壽命，5種顏色各異的層代表材料系數.

圖譜生成中，選擇任意3個因素作為參考坐標，提取其在Access數據庫中的數據生成圖譜，隨著影響因素選擇的不同，生成的圖譜也在不斷變化.以此來研究不同因素對壽命的影響.

4.2圖譜結果分析及應用通過對圖3和4的分析可以得到，失效概率系數一定時，負荷系數與軸承壽命成光滑的曲線變化.當材料系數變化時，該曲線的變化趨勢越顯著；材料系數一定時，失效概率系數對軸承壽命成有規(guī)律的直線變化，當材料系數變化時，這種有規(guī)律的直線變化也越顯著.

在實際應用中，當軸承可靠度(失效概率系數)一定時，可以提高材料系數和負荷系數，延長軸承的使用壽命.例如，選取合適的軸承材料，采用合理的加工工藝和熱處理方式，改善材料系數對壽命的影響；通過徑向游隙和套圈變形量的調整，能夠改善負荷系數對壽命的影響，具體可通過改變滾道直徑、粗糙度和滾動體的數目，滾動體接觸有效長度等改善負荷系數的影響.其他圖譜分析及應用與之類似.

從圖譜分析得到，潤滑對軸承壽命的影響最大，在使用中創(chuàng)造良好的潤滑條件是必需的.軸承工作條件較為復雜，從低轉速到超高速，從低溫到超高溫，從潤滑良好到污染嚴重的工作環(huán)境，單一或單類型潤滑劑不可能滿足所有這些工作條件.因此應當選擇一種適宜的潤滑油，并通過合適的潤滑方式對軸承進行潤滑，提高軸承的旋轉精度，延長軸承的使用壽命.

軸承溫度不斷上升將導致潤滑劑失效，最終軸承出現失效破壞.圖譜分析表明溫度與溫度系數成反比關系，當溫度增高時溫度系數減小，軸承壽命降低.因此，可以通過良好潤滑吸收熱量或利用風扇對軸承部位降溫，也可使用冷卻裝置對軸承工作部位進行冷卻等措施，強制軸承冷卻，改善溫度條件，延長軸承使用壽命.

潤滑油中的污染程度可以用油中的顆粒大小和含量來度量.因此采用良好的過濾裝置，清潔的軸承工作環(huán)境(室內環(huán)境等)，定期更換潤滑油等措施來減小潤滑油的污染對軸承壽命的影響.

5結論

本研究利用Matlab，Access和VB各自的優(yōu)點，通過混合編程將三者有機結合，開發(fā)出軸承壽命圖譜的應用軟件.

1) 軸承壽命圖譜的建立能夠清晰展現出軸承影響因素對軸承壽命的影響，隨著影響因素改變，軸承壽命圖譜各異.

2) 隨著軸承壽命研究深入，影響因素能夠繼續(xù)添加，保證圖譜分析的更新性和先進性.

3) 通過圖譜重點研究分析，精確找準影響因素對壽命影響趨勢，從深層次上通過改善工作條件、改變加工工藝或制作方法等來最終延長軸承的壽命，這是未來軸承企業(yè)努力的方向.

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Design of Life Visual System for Rolling Bearing BasedonVBandMatlab

Zhu Liangliang1, Gao Zhu2, Ji Xiaomin2

(1.YanglingVocationalandTechnicalCollege,Yangling712100,China;2.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710054,China)

Abstravct：Inthereport,Access,MatlabandVBwereusedtodevelopthelifemapapplicationsoftwareoftherollingbearing,andbywhichthefourdimensionalmapofbearingfatiguelifewasachieved.Thebearinglifemapcanbecontributedtounderstandthefactorsaffectingthescopeandsize,makethebearinglifepredictionmorevivid,intuitiveandaccurate,andservethebearingenterprisesdesignandproductionactivitiesverywell.

Keywords：rollingbearing;lifeprediction;programming;map;visualization

收稿日期：2015-07-20

基金項目：基于風險的公共交通型自動扶梯安全保障技術(國家安全監(jiān)督總局2012年安全生產重大事故預防關鍵技術科技項目)；楊凌職業(yè)技術學院院級科研項目基金(A2013039)

作者簡介：朱亮亮(1982-)，男，河南平頂山人，碩士，講師，研究方向：CAD/CAM集成技術，E-mail:zll20013406@126.com

文章編號：1004-1729(2016)01-0045-06

中圖分類號：TH133.33；TP31

文獻標志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0008