基于運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)的機(jī)械零部件可靠性評(píng)估方法研究

汪再如

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 合肥 230011)

滾動(dòng)軸承是各種機(jī)械設(shè)備的重要基礎(chǔ)部件，其質(zhì)量直接影響機(jī)械設(shè)備的工作性能，其壽命直接反映機(jī)械設(shè)備的工作質(zhì)量[1]。正確評(píng)價(jià)滾動(dòng)軸承的可靠性和使用壽命，對(duì)提高機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命具有重要意義[2]。傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)方法周期長(zhǎng)、成本高，且結(jié)果的可靠性比較差[3]。因此，滾動(dòng)軸承壽命強(qiáng)化研究日漸受到重視。滾動(dòng)軸承的壽命強(qiáng)化研究可用于滾動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)、滾動(dòng)軸承壽命數(shù)據(jù)的分析與預(yù)測(cè)等[4]。本研究以典型機(jī)械設(shè)備滾動(dòng)軸承為對(duì)象，基于滾動(dòng)軸承振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域特征分析，結(jié)合峭度分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以設(shè)備損傷最嚴(yán)重零部件的正常運(yùn)行狀態(tài)為參考標(biāo)準(zhǔn)，研究不同狀態(tài)與正常狀態(tài)的差異度、相似度，以及設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)可靠度的概念與內(nèi)涵，建立合理的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與可靠度之間的關(guān)聯(lián)映射非線性模型，對(duì)設(shè)備瞬時(shí)可靠度進(jìn)行分析與評(píng)估。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

滾動(dòng)軸承全壽命數(shù)據(jù)由NSFI/UCR智能維護(hù)系統(tǒng)中心在雷克斯諾德公司的支持下生成。試驗(yàn)臺(tái)上，1個(gè)軸安裝4個(gè)滾動(dòng)軸承，通過摩擦帶將交流電機(jī)耦合到軸上，使轉(zhuǎn)速保持在2 000 r/min，通過彈簧機(jī)構(gòu)，軸和滾動(dòng)軸承承受約2 721.6 kg的徑向載荷。滾動(dòng)軸承在超過1億轉(zhuǎn)(設(shè)計(jì)的使用壽命)以后，均發(fā)生故障。數(shù)據(jù)包包含4個(gè)數(shù)據(jù)集，其中3個(gè)數(shù)據(jù)集分別描述各個(gè)滾動(dòng)軸承從測(cè)試到失效的試驗(yàn)。每個(gè)數(shù)據(jù)集由單獨(dú)的文件組成，這些文件是按特定間隔記錄的1 s振動(dòng)信號(hào)快照，數(shù)字信號(hào)采樣頻率為12 000次/s。

1.2 滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)常用時(shí)域指標(biāo)

為了研究滾動(dòng)軸承的可靠度，需要對(duì)滾動(dòng)軸承全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域特征分析?，F(xiàn)選取如下幾種時(shí)域特征參數(shù)[5]：均值、均方根、方差、峭度、偏度、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值。

1.3 可靠性評(píng)估方法

1.3.1峭度分析法

峭度反映了滾動(dòng)軸承測(cè)試數(shù)據(jù)概率密度函數(shù)的陡峭程度，對(duì)數(shù)據(jù)的瞬時(shí)變化非常敏感[6]。滾動(dòng)軸承的可靠度與振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)有一定的關(guān)系，可以使用峭度值來(lái)計(jì)算滾動(dòng)軸承的可靠度。滾動(dòng)軸承的可靠度與峭度值的關(guān)系如下：

(1)

式中：R為可靠度；Kx為峭度值；a為峭度閾值；b為常數(shù)。

1.3.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用非線性可微傳遞函數(shù)和Winrrow-Hoff學(xué)習(xí)算法的網(wǎng)絡(luò)方法[7]，可以根據(jù)未經(jīng)訓(xùn)練的輸入給出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。該特性使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合于訓(xùn)練輸入/輸出目標(biāo)對(duì)，但不需要訓(xùn)練所有可能的輸入/輸出目標(biāo)對(duì)。定義誤差函數(shù)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 滾動(dòng)軸承時(shí)域特征提取結(jié)果

滾動(dòng)軸承全壽命數(shù)據(jù)均值特征提取結(jié)果見圖1。

圖1 滾動(dòng)軸承全壽命數(shù)據(jù)均值特征提取結(jié)果Fig.1 Extraction results of mean feature of rolling bearing life data

由圖1(a)可見：前720次測(cè)量，數(shù)據(jù)均值變化基本平穩(wěn)；在第720次左右，數(shù)據(jù)均值發(fā)生了明顯變化；在第960次左右，數(shù)據(jù)變化雜亂無(wú)章情況加劇，可靠度有所下降，滾動(dòng)軸承失效。由圖1(b)可見，前500次測(cè)量滾動(dòng)軸承能正常工作，在第720次測(cè)量后，滾動(dòng)軸承可靠度有所下降，部分滾動(dòng)軸承可能出現(xiàn)了故障。由圖1(c)可見：前600次測(cè)量滾動(dòng)軸承工作正常；在第600次測(cè)量后，滾動(dòng)軸承可靠度有所下降，部分滾動(dòng)軸承出現(xiàn)了故障；在第920次測(cè)量后，滾動(dòng)軸承失效。由圖1(d)可見：前660次測(cè)量滾動(dòng)軸承能正常工作；在第660次測(cè)量后，滾動(dòng)軸承可靠度有所下降，部分滾動(dòng)軸承可能出現(xiàn)了故障；第900次測(cè)量，滾動(dòng)軸承失效。由圖1(e)可見：前680次測(cè)量滾動(dòng)軸承能正常工作；在第680次測(cè)量后，滾動(dòng)軸承可靠度有所下降，部分滾動(dòng)軸承可能出現(xiàn)了故障；在第900次測(cè)量時(shí)滾動(dòng)軸承失效。由于均值的絕對(duì)值較小，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)與均方根數(shù)據(jù)近似相等，所以使用標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)與均方根基本一致，見圖1(f)。最大值和最小值可以反映一組測(cè)量數(shù)據(jù)中某個(gè)直徑波動(dòng)的突然變化。工作中某個(gè)滾動(dòng)軸承發(fā)生故障會(huì)使最大值與最小值圖像發(fā)生變化，所以不太適合用來(lái)研究整批滾動(dòng)軸承的可靠度，但從圖1(g)、(h)反映的信息可見：前700次測(cè)量基本無(wú)太大變化，滾動(dòng)軸承可靠度良好；第700次測(cè)量后圖像發(fā)生變化，可能是某個(gè)滾動(dòng)軸承發(fā)生故障，或者是滾動(dòng)軸承整體可靠度下降。綜上所述，通過全時(shí)域特征提取對(duì)滾動(dòng)軸承可靠度進(jìn)行分析，應(yīng)在第500次測(cè)量后對(duì)能正常工作的滾動(dòng)軸承進(jìn)行檢修，在第900次測(cè)量前對(duì)失效滾動(dòng)軸承進(jìn)行更換。

2.2 可靠性評(píng)估結(jié)果

2.2.1基于峭度分析法的滾動(dòng)軸承可靠性評(píng)估

由式(1)可知，一般認(rèn)為峭度值為3時(shí)滾動(dòng)軸承是正常工作的，所以取峭度閾值a為3，討論常數(shù)b取不同值時(shí)滾動(dòng)軸承可靠度的變化。使用全壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行峭度值提取，分析滾動(dòng)軸承可靠度隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律，并研究軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合其可靠度變化規(guī)律。當(dāng)常數(shù)b分別取0.1、0.5和1.0時(shí)，滾動(dòng)軸承可靠度如圖2所示。

圖2 基于峭度分析法的可靠度Fig.2 Reliability based on kurtosis analysis

從圖2可以看出，可靠度的變化趨勢(shì)基本一致，只是在滾動(dòng)軸承失效階段可靠度的最大值有所區(qū)別，但滾動(dòng)軸承失效后的數(shù)據(jù)不具說服力，所以b的取值基本不影響可靠度?？煽慷扰c峭度值的變化基本符合相反變化趨勢(shì)，當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障導(dǎo)致峭度值變大時(shí)，可靠度降低?，F(xiàn)將此方法運(yùn)用于故障滾動(dòng)軸承數(shù)據(jù)中，求出每種故障狀態(tài)的峭度值，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的可靠度(取b=0.1)，與全壽命數(shù)據(jù)可靠度進(jìn)行比較。

2.2.2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承可靠性評(píng)估

使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采集了984個(gè)全壽命數(shù)據(jù)，以正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，測(cè)試其余4種故障狀態(tài)數(shù)據(jù)與正常狀態(tài)數(shù)據(jù)的區(qū)別。其中:故障狀態(tài)1為軸承1出現(xiàn)故障時(shí)的數(shù)據(jù)；故障狀態(tài)2為軸承2出現(xiàn)故障時(shí)的數(shù)據(jù)；故障狀態(tài)3為軸承3出現(xiàn)故障時(shí)的數(shù)據(jù)；故障狀態(tài)4為軸承4出現(xiàn)故障時(shí)的數(shù)據(jù)。圖3是全壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的不同故障狀態(tài)下的可靠度對(duì)比，從中可以看出，故障狀態(tài)下的可靠度均低于正常狀態(tài)，故障越大可靠度越低，最后滾動(dòng)軸承失效，所以數(shù)據(jù)沒有遵循規(guī)律。

圖3 不同狀態(tài)的可靠度變化Fig.3 Reliability changes in different states

本研究分別采用峭度分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滾動(dòng)軸承的可靠性進(jìn)行了討論。使用峭度分析法時(shí)，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)可以很明顯地反映出滾動(dòng)軸承可靠度的變化，可靠度隨著故障的出現(xiàn)而降低；使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，假設(shè)一半的全壽命數(shù)據(jù)為已知數(shù)據(jù)、另一半為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所得出來(lái)的結(jié)果誤差很小。綜上可以得出結(jié)論，滾動(dòng)軸承運(yùn)行過程中遵循可靠性隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降的規(guī)律，發(fā)生故障會(huì)降低可靠性，且故障越大可靠性越低，使用此規(guī)律可以有效評(píng)估滾動(dòng)軸承的可靠性。

3 結(jié)論

本研究對(duì)滾動(dòng)軸承全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域特征提取，利用聚類分析對(duì)滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)進(jìn)行了劃分，并使用了峭度分析法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究滾動(dòng)軸承的可靠性，研究了滾動(dòng)軸承可靠性隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及滾動(dòng)軸承故障大小對(duì)可靠性的影響，結(jié)論如下：

(1) 滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障之后很快就會(huì)失效，所以檢測(cè)到滾動(dòng)軸承發(fā)生故障就應(yīng)及時(shí)維修更換。

(2) 滾動(dòng)軸承出現(xiàn)的故障直徑越大，振動(dòng)越大，其可靠性越低。

(3) 滾動(dòng)軸承的可靠性隨運(yùn)行時(shí)間增加而下降。

(4) 峭度分析法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效評(píng)估滾動(dòng)軸承的可靠性。