一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法。该方法基于滚道表面形貌的演变机理，将退化过程划分为健康、凹痕、裂纹、剥落四个阶段。充分考虑时变形貌和时变刚度的耦合激励，建立5自由度滚动轴承非线性动力学模型，求解模型的振动响应，构造性能退化字典，作为相似性寿命预测方法的参考集，进而得到剩余使用寿命概率密度函数的估计。

A bearing life prediction method based on performance degradation dictionary construction and similarity

【技术实现步骤摘要】
一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法
本专利技术属于机械动力学、故障预测与健康管理
，涉及一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法。
技术介绍
滚动轴承的剩余使用寿命对机械设备整体的使用寿命有着重要影响。对关键部位的轴承进行状态监测及剩余使用寿命估计十分必要。为此需要掌握滚动轴承的退化过程与退化机理，明晰其损伤演变过程，为提出合适的寿命预测方法提供理论依据，并有效提高寿命估计的准确性。为了充分掌握滚动轴承因故障引起的瞬时振动行为，集总参数模型得到了广泛的应用，它可模拟多种类型的轴承缺陷，如表面粗糙度、表面波纹度、凹痕、剥落等。然而，目前的研究均针对短期内的单一故障行为进行研究，并未跟踪滚动轴承长期退化过程，并且没有将退化机理与预测方法有效结合，建立的模型并未能应用于寿命预测。因此，针对不同损伤演变阶段建立相应的表面形貌模型，通过表面形貌的连续变化获得滚动轴承全寿命周期的振动响应，对寿命预测方法的研究具有重要意义。目前在寿命预测中应用最多的是数据驱动方法。其中，一类方法无模型训练过程，如维纳过程方法、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，/n(1)基于滚道表面形貌的演变机理，将退化过程划分为健康、凹痕、裂纹、剥落四个阶段；/n(2)充分考虑时变形貌和时变刚度的耦合激励，建立5自由度滚动轴承非线性动力学模型；/n(3)求解模型的振动响应，构造性能退化字典；/n(4)以仿真得到的滚动轴承性能退化字典作为相似性寿命预测方法的参考集，进而通过相似性方法得到剩余使用寿命概率密度函数的估计。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，
(1)基于滚道表面形貌的演变机理，将退化过程划分为健康、凹痕、裂纹、剥落四个阶段；
(2)充分考虑时变形貌和时变刚度的耦合激励，建立5自由度滚动轴承非线性动力学模型；
(3)求解模型的振动响应，构造性能退化字典；
(4)以仿真得到的滚动轴承性能退化字典作为相似性寿命预测方法的参考集，进而通过相似性方法得到剩余使用寿命概率密度函数的估计。


2.根据权利要求1所述的一种基于性能退化字典构造与相似性的轴承寿命预测方法，其特征在于：滚动轴承故障演化动态模型建立过程如下，
S1.1健康轴承；
建立5自由度滚动轴承动力学模型，微分方程如下：



其中m,k,c分别表示质量、刚度和阻尼，下角标s,p,r分别表示内圈、外圈和单元谐振器，x,y分别表示水平、垂直方向的振动响应，Fs为施加在内圈上的外部径向载荷，f为非线性接触力，具体计算如下：






其中，nb是滚动体数量，Kj是滚动体与内外圈的等效接触刚度，δj是第j个滚动体处内外圈的相对变形量，θj是第j个滚动体的角位置，具体计算如下：









其中，t为时间，ωc为滚珠通过外圈的角速度，d为滚动体直径，Dm为轴承节径，α为轴承接触角，ωs为内圈的角速度，n为旋转轴的转速；
考虑到材料表面因加工因素存在一定的粗糙度，将其设为服从正态分布的离散值，粗糙度值按照凸面为正、凹面为负的原则选取，由此可得：
δj＝(xs-xp)cosθj+(ys-yp)sinθj+c+(asj-apj+absj+abpj)
其中，c为轴承游隙，a为表面粗糙度，absj表示第j个滚动体与内圈接触处的粗糙度；
内外圈总接触刚度：



其中，Kij，Koj分别为滚动体与内圈和外圈的接触刚度，对于钢制球和滚道的接触，有：



其中∑ρ是接触点处的曲率和，δ*是一无量纲接触变形量，滚动体定义为接触体Ⅰ，滚道定义为接触体Ⅱ，平行于轴承旋转周向的平面定义为主平面1，过轴承轴心与滚动体球心、且垂直于主平面1的平面定义为主平面2，则滚动体与内外圈接触点处的曲率半径和曲率计算如下：






由此可得内外圈接触点处的曲率和：



无量纲接触变形量：



各参数计算如下：









其中：






S1.2表面凹痕；
将表面凹痕简化为一条粗糙度局部增大的痕迹，内外圈的相对变形量表示为：
δj＝(xs-xp)cosθj+(ys-yp)sinθj+c+(asj-ap1j+absj+abpj)
滚道粗糙度表示为：









其中，a′pj是凹痕处粗糙度，是凹痕初始位置角，是凹痕周向跨度角，b1是凹痕周向宽度，nj表示内圈转过的圈数；
凹痕影响了曲率半径，进而也使接触刚度发生变化，曲率半径表示如下：



S1.3表面裂纹；
表面裂纹通常从凹痕后缘开始扩展，滚动体经过裂纹处，会释放细微的变形量，因裂纹宽度比较窄，滚动体不会完全跌落缺陷底部，将内外圈相对变形量表示为：δj＝(xs-xp)cosθj+(ys-yp)sinθj+c+(asj-ap2j+absj+abpj)+λ1j滚道粗糙度表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：崔玲丽，王鑫，王华庆，乔文生，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11