軸承壽命預(yù)測(cè)方法綜述＊

李 丹

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院，湖南 株洲 412001）

近年來(lái)，眾多學(xué)者從多方面對(duì)滾動(dòng)軸承的故障判斷和壽命長(zhǎng)短進(jìn)行了研究，采用的研究方法可大致劃分為三種。第一種是數(shù)值計(jì)算法，即采用物理模型對(duì)軸承的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)；第二種是試驗(yàn)方法，即基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)；第三種是理論與試驗(yàn)相結(jié)合的壽命預(yù)測(cè)方法。

1 數(shù)值計(jì)算軸承壽命預(yù)測(cè)

瞿家明等[1]在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思想的前提下，采集軸承的全壽命數(shù)據(jù)，自適應(yīng)壽命計(jì)算模型參數(shù)通過(guò)相似度分析和偏差調(diào)節(jié)不斷地優(yōu)化。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，利用改進(jìn)的HMM模型建立了軸承的壽命模型，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)與壽命模型中的數(shù)據(jù)差異，不斷優(yōu)化軸承壽命預(yù)測(cè)的精度，再利用Pearson相似度系數(shù)構(gòu)造壽命比例調(diào)節(jié)函數(shù)，更新HMM模型。并與一組軸承全壽命的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，證明了HMM算法的有效性。

李震等[2]對(duì)高速列車(chē)軸箱雙列圓錐滾子軸承壽命進(jìn)行了研究，首先列舉了傳統(tǒng)ISO軸承壽命計(jì)算方法的基本原理，同時(shí)給出了L-P及L-P改進(jìn)方法的推導(dǎo)過(guò)程，闡述了L-P改進(jìn)壽命計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)滾動(dòng)體接觸長(zhǎng)度方向的離散切片，分段計(jì)算其內(nèi)外滾道的當(dāng)量接觸載荷，從而得到考慮滾動(dòng)體影響的軸承綜合壽命計(jì)算方法；通過(guò)高速列車(chē)圓錐滾子軸承的實(shí)際壽命計(jì)算案例，比對(duì)三種方法，得出L-P改進(jìn)方法計(jì)算的軸承壽命最短最準(zhǔn)確、L-P計(jì)算方法次之、傳統(tǒng)IOS壽命計(jì)算方法再次之的結(jié)論；通過(guò)量化計(jì)算，明確給出了L-P改進(jìn)方法計(jì)算的壽命是L-P數(shù)值的45%左右，且此值與軸承游隙呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

李俊文等[3]引用傳統(tǒng)軸承壽命計(jì)算方法，配合各項(xiàng)修正系數(shù)的羅列計(jì)算，通過(guò)MATLAB語(yǔ)言完成了程序編譯，并利用GUI完成了程序的最終發(fā)布；通過(guò)開(kāi)發(fā)界面對(duì)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，再與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，完成了計(jì)算機(jī)壽命預(yù)測(cè)程序結(jié)果的正確性驗(yàn)證。

呂皓天等[4]從力學(xué)角度和材料學(xué)角度分別對(duì)軸承滾動(dòng)接觸疲勞（RCF）進(jìn)行了闡述，力學(xué)方面其認(rèn)為RCF依據(jù)軸承運(yùn)行周次通?？煞譃槿齻€(gè)演變階段，即安定、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和失穩(wěn)階段，同時(shí)也是軸承微觀組織由彈性向塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)化的過(guò)程；材料學(xué)方面其認(rèn)為軸承壽命的退化過(guò)程也就是軸承次表面微觀組織的演變過(guò)程，而白蝕區(qū)、暗蝕區(qū)、白蝕帶是對(duì)應(yīng)軸承循環(huán)周次不同階段的三大特征表現(xiàn)?；趥鹘y(tǒng)軸承理論計(jì)算模型，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)特點(diǎn)，提出了軸承RCF問(wèn)題的全流程多維數(shù)值計(jì)算方法，即材料科學(xué)及其加工學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合的多維評(píng)估，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)更高效的軸承壽命預(yù)測(cè)。

查浩等[5]基于車(chē)輛-軌道耦合模型簡(jiǎn)化車(chē)輛，簡(jiǎn)化的結(jié)果是車(chē)輛由車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)組成，其他部件忽略不計(jì)，但三者之間需要彈性部件的連接，構(gòu)架與輪對(duì)之間為一系懸掛，車(chē)體與構(gòu)架之間為二系懸掛，然后將軸箱軸承看作輪對(duì)上的一點(diǎn)，直接與一系懸掛連接在一起，建立軸箱軸承的動(dòng)力學(xué)模型再在軸承壽命計(jì)算的基礎(chǔ)上，依據(jù)Palmgren-Miner理論損傷的軸承額定壽命公式。得知列車(chē)運(yùn)行的速度越快，軸承的壽命就越短；軌道激擾越強(qiáng)，軸承的壽命就越短；而線路當(dāng)中曲線半徑的大小對(duì)軸承壽命的影響相對(duì)較小。

2 試驗(yàn)方法軸承壽命預(yù)測(cè)

楊趙巖等[6]設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)加載的情況下雙驅(qū)動(dòng)軸承壽命的試驗(yàn)方法，軸承在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，承受載荷的位置也是不斷變動(dòng)的，其施加的載荷始終保持在軸承的外圈長(zhǎng)軸位置，并使用兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)軸承的組成部分內(nèi)圈與外圈，將施加載荷的裝置與兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相結(jié)合組成了軸承的壽命試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)激光測(cè)振儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與李俊陽(yáng)等人的試驗(yàn)方法進(jìn)行了對(duì)比，該試驗(yàn)方法可對(duì)軸承疲勞壽命與軸承的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

蔡麗萍等[7]通過(guò)對(duì)軸承的特性分析得出軸承要能夠在高溫、低溫工作環(huán)境下正常工作，模擬試驗(yàn)中需要模擬的參數(shù)有高低溫的環(huán)境、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況以及不同載荷的工況。軸承模擬試驗(yàn)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、施加載荷的液壓比例閥、試驗(yàn)單元、能夠模擬環(huán)境溫度的壓縮機(jī)和干冰組合系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)組成。選取了6207-2Z軸承國(guó)內(nèi)以及國(guó)外兩款，分別進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，其所設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)臺(tái)能夠有效地模擬出軸承的動(dòng)態(tài)承載性能。

3 理論與試驗(yàn)相結(jié)合軸承壽命預(yù)測(cè)

劉德昆等[8]對(duì)軸箱軸承的壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，基于L-P理論的簡(jiǎn)化算法，得出軸承的修正額定壽命公式，由修正Palmgren-Miner損傷理論計(jì)算出軸箱軸承發(fā)生性能退化直至損壞值，并推導(dǎo)出軸承壽命預(yù)測(cè)的公式。利用傳感器采集列車(chē)在行駛過(guò)程中軸箱軸承所承受的載荷情況，求解出當(dāng)量動(dòng)載荷、基本額定壽命以及壽命的修正系數(shù)，結(jié)合潤(rùn)滑劑的黏度比計(jì)算出修正壽命公式，再以輪徑為860 mm的軸箱軸承為例計(jì)算其壽命，此方法與傳統(tǒng)ISO計(jì)算軸承壽命相比結(jié)果更為準(zhǔn)確。

徐洲常等[9]根據(jù)大量的文獻(xiàn)總結(jié)出對(duì)軸承影響較大的時(shí)域指標(biāo)，利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)┓纸猓‥nsemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）方法采集時(shí)頻域指標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)降維的方法（PCA）將得到的時(shí)域指標(biāo)和時(shí)頻域指標(biāo)進(jìn)行融合從而得到一個(gè)綜合指標(biāo)。通過(guò)構(gòu)建回歸型支持向量機(jī)（SVR）模型，并借助GWO算法與差分算法共同對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，推導(dǎo)出改進(jìn)后的SVR軸承剩余壽命預(yù)測(cè)方法，并具體提供了壽命預(yù)測(cè)性能評(píng)估的理論判據(jù)。筆者以具體電機(jī)軸承為實(shí)例，分別對(duì)通過(guò)GWO、DEGWO、GSA三種不同算法優(yōu)化的SVR模型進(jìn)行對(duì)比分析得到結(jié)論：優(yōu)化算法對(duì)壽命預(yù)測(cè)模型的性能評(píng)估影響較大，且三種改進(jìn)算法中，經(jīng)過(guò)DEGWO優(yōu)化過(guò)的回歸型支持向量機(jī)（SVR）模型對(duì)軸承壽命的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。

胡姚剛等[10]考慮軸承溫度是在不斷變化的，在此基礎(chǔ)上提出了基于Wiener方法的軸承性能退化模型，采用時(shí)間、轉(zhuǎn)速序列數(shù)據(jù)計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的溫度值，再利用移動(dòng)平均法得出溫度趨勢(shì)量，采用最大似然法獲得退化模型建立所需的各個(gè)物理量。他們認(rèn)為軸承的剩余壽命服從逆高斯分布，推導(dǎo)出軸承壽命與概率密度函數(shù)密度最大值之間的關(guān)系，從而進(jìn)行剩余壽命的預(yù)測(cè)。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)后軸承為例，通過(guò)檢測(cè)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，并經(jīng)上述數(shù)值方法處理后得到其溫度趨勢(shì)增量曲線，完成軸承剩余壽命的預(yù)測(cè)，所述方法得到了有效驗(yàn)證。

鄭靜[11]通過(guò)線性擬合的方法對(duì)某路段運(yùn)行機(jī)車(chē)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該機(jī)車(chē)軸承真實(shí)的一維應(yīng)力譜，結(jié)合其所述的Miner線性累計(jì)損傷預(yù)測(cè)與傳統(tǒng)S-N壽命預(yù)測(cè)方法，可為后續(xù)剩余壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

謝階棟[12]建立了二維損傷應(yīng)力數(shù)值模型，通過(guò)循環(huán)迭代，完成對(duì)目標(biāo)壽命的預(yù)測(cè)，同時(shí)利用ABAQUS中的UMAT運(yùn)行原理編寫(xiě)了用戶子程序，提高了壽命預(yù)測(cè)效率與精確度；建立了軸承截面簡(jiǎn)化模型，實(shí)現(xiàn)了接觸表面二維單元模型的建立，通過(guò)對(duì)破損單元的應(yīng)力分析，得到了對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)的微觀損傷演化過(guò)程云圖，有效驗(yàn)證了次表面單元首先損傷的疲勞剝落機(jī)理。通過(guò)使用軸承疲勞試驗(yàn)機(jī)與設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)化試驗(yàn)方案，完成了對(duì)6206球軸承的試驗(yàn)結(jié)果分析與理論壽命預(yù)測(cè)方法的驗(yàn)證。