【摘要】：固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承是空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件,衛(wèi)星、空間站等空間飛行器的機(jī)械部件能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能和達(dá)到預(yù)期壽命,在很大程度上取決于飛行器內(nèi)各機(jī)械部件中滾動(dòng)軸承的性能、壽命和可靠性。由于空間在軌環(huán)境中無(wú)法獲取軸承運(yùn)行狀態(tài)信息,亟需在地面模擬空間環(huán)境下開(kāi)展?jié)L動(dòng)軸承鑒定試驗(yàn),即完全試驗(yàn)與截尾試驗(yàn),來(lái)評(píng)估和預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承的壽命,建立高可靠長(zhǎng)壽命滾動(dòng)軸承基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),從大量候選滾動(dòng)軸承中篩選最優(yōu)壽命軸承安裝到空間飛行器中。目前模擬空間環(huán)境下固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承壽命狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段有摩擦力矩測(cè)試和溫度測(cè)試,但是,摩擦力矩、溫度包含軸承壽命特征信息單一、對(duì)軸承正常壽命階段性能退化不敏感,不能有效反映滾動(dòng)軸承性能的退化。振動(dòng)測(cè)試作為模擬空間環(huán)境下固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承壽命狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)手段逐漸得以關(guān)注,在固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的壽命表征和預(yù)測(cè)方面具有很好的潛力。一方面,相比于軸承典型故障或早期故障狀態(tài),軸承有效壽命階段內(nèi)的振動(dòng)特征更為微弱;另一方面,模擬空間環(huán)境的設(shè)備(如真空泵)運(yùn)行,以及狹小空間內(nèi)多組軸承的同時(shí)試驗(yàn),導(dǎo)致實(shí)測(cè)軸承振動(dòng)信號(hào)受到強(qiáng)烈的環(huán)境噪聲干擾,因此,在強(qiáng)噪聲干擾下提取滾動(dòng)軸承微弱特征就更加困難。模擬空間環(huán)境下軸承采用軸向定位加載方式時(shí),隨著軸承磨損,間隙加大,軸向負(fù)載發(fā)生變化;由于真空室容量限制,難以實(shí)施電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制,軸承轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定;軸承振動(dòng)特征受工況(轉(zhuǎn)速和載荷等因素)的影響十分明顯,導(dǎo)致變工況下滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)性特征難以提取。由于地面模擬空間環(huán)境試驗(yàn)條件苛刻,軸承壽命試驗(yàn)需要投入大量的人力、物力,目前只能獲取部分工況下的有限樣本,小子樣條件下精確壽命預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建是需要解決的難題。模擬空間環(huán)境下滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)的這些特點(diǎn)導(dǎo)致基于振動(dòng)分析的滾動(dòng)軸承壽命狀態(tài)表征和預(yù)測(cè)具有很大挑戰(zhàn)性。論文針對(duì)模擬空間環(huán)境下滾動(dòng)軸承壽命振動(dòng)譜表征與預(yù)測(cè)的難題,開(kāi)展自適應(yīng)信號(hào)分量分離的滾動(dòng)軸承微弱特征提取、變工況下滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)性特征提取、小子樣條件下精確壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建等研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:1)針對(duì)強(qiáng)噪聲干擾下滾動(dòng)軸承微弱特征提取的難題,提出了自適應(yīng)信號(hào)分量分離的滾動(dòng)軸承微弱特征提取方法。分析并確立模擬空間環(huán)境下滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)噪聲主要包括測(cè)試系統(tǒng)噪聲、模擬空間環(huán)境設(shè)備以及其它軸承試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行而引入的環(huán)境干擾;利用一組通帶部分重疊帶通濾波器組對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,提出了最大譜峭度最小冗余準(zhǔn)則用于能量占優(yōu)濾波信號(hào)分量的選取;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?Empirical Mode Decomposition,EMD)的自適應(yīng)分解及濾波特性,采用EMD對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)一步分解,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)信號(hào)分量分離;計(jì)算含噪軸承振動(dòng)信號(hào)各固有模式函數(shù)(Intrinsic Mode Function,IMF)分量與含噪軸承振動(dòng)信號(hào)自身、以及與背景噪聲干擾信號(hào)IMF分量之間的相關(guān)系數(shù),并據(jù)此對(duì)IMF分量進(jìn)行篩選和重構(gòu),實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲干擾下滾動(dòng)軸承微弱特征提取。2)針對(duì)變工況下滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)性特征難以提取的問(wèn)題,提出了基于幅值標(biāo)準(zhǔn)化和相似性度量的量化特征提取方法。研究轉(zhuǎn)速和負(fù)載因素對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的影響,通過(guò)幅值標(biāo)準(zhǔn)化降低轉(zhuǎn)速、負(fù)載不同導(dǎo)致的振動(dòng)信號(hào)幅值差異;結(jié)合時(shí)頻分析在信號(hào)局部特征信息挖掘方面的優(yōu)勢(shì),提出了兩種時(shí)頻域特征提取方法——基于頻帶分析技術(shù)的特征提取和時(shí)頻表示特征約簡(jiǎn)的特征提取;構(gòu)建基于相似性度量的滾動(dòng)軸承退化量化特征指標(biāo),實(shí)現(xiàn)變工況下軸承狀態(tài)的同尺度表征以及滾動(dòng)軸承退化趨勢(shì)性特征提取。3)針對(duì)小子樣條件下精確壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的問(wèn)題,提出了融合截尾樣本的優(yōu)化多核最小二乘支持向量機(jī)的滾動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)方法。模擬空間環(huán)境下,受試驗(yàn)周期限制,只能對(duì)少量軸承做全壽命試驗(yàn),更多的軸承需做定時(shí)截尾試驗(yàn)。針對(duì)少量軸承的全壽命樣本,提出了多尺度變異粒子群優(yōu)化多核最小二乘支持向量機(jī)的滾動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)方法。針對(duì)更多軸承的截尾樣本,為利用截尾樣本中的有效退化信息,建立基于函數(shù)型主成分分析的特征量趨勢(shì)模型,提出基于相似性度量的截尾樣本壽命值估計(jì)方法,構(gòu)建融合截尾樣本的滾動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)模型,提高模擬空間環(huán)境下滾動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)精度。4)結(jié)合模擬空間環(huán)境下滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了一套固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集、基本信號(hào)分析處理、特征提取、壽命預(yù)測(cè)和管理維護(hù)等功能,實(shí)現(xiàn)固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承壽命評(píng)估和預(yù)測(cè),從而篩選出最優(yōu)壽命軸承。所研發(fā)的系統(tǒng)成功應(yīng)用于模擬空間環(huán)境下固體潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承壽命評(píng)估和預(yù)測(cè)。文章最后對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié),并展望下一步的研究方向。
【圖文】：

[125]Fig. 3.2 The mechanism of vibration due to rolling elements passing從圖3.2可以看出，由于與套圈的彈性接觸構(gòu)成的“彈簧”支承使?jié)L動(dòng)體在通過(guò)載荷作用線產(chǎn)生了周期性彈性振動(dòng)，轉(zhuǎn)軸中心因此會(huì)上下垂直移動(dòng)或做水平方向移動(dòng)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明該類振動(dòng)尤其是在軸承低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)更為明顯，振動(dòng)幅值大小與軸承所受徑向載荷、徑向游隙及滾動(dòng)體數(shù)目有關(guān)，，而振動(dòng)頻率與滾動(dòng)體通過(guò)頻率相關(guān)[126]，其頻率計(jì)算式為：1(1 cos )60 2icn dZf ZD= × × α(3.5)3） 軸承固有頻率軸承元件在內(nèi)部因素如軸承元件間相互碰撞及外部因素作用下會(huì)產(chǎn)生軸向和徑向的振動(dòng)，這些振動(dòng)可能激勵(lì)起軸承元件的固有頻率。如果軸承內(nèi)、外圈存在著自由狀態(tài)下軸向和徑向的彎曲振動(dòng)，則自由圓環(huán)第 n 1階徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率nf 以及鋼球振動(dòng)的固有頻率bnf 可分別由式(3.6)和(3.7)計(jì)算[123,127]222( 1) 42 1nn n EIgfDrAπn = ×+(3.6)0.212bnEgfRr= (3.7)式中，n：振動(dòng)階數(shù)

[128]，波紋度峰值的存在是該類振動(dòng)產(chǎn)生的根本原因。圖3.3出了內(nèi)圈波紋度激振原理示意圖。滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z為8，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，當(dāng)內(nèi)圈波紋度分別為nZ-1、nZ、nZ+1時(shí)，對(duì)外圈徑向振動(dòng)影響情況如下：在圖3.3中，討論編號(hào)為“1”的球與波峰接觸時(shí)的情況，當(dāng)波峰為nZ時(shí)，外圈在徑向無(wú)位移，而球與nZ±1個(gè)波峰數(shù)的波紋面接觸時(shí)，在外圈箭頭方向有最大位移；另一種情況下，當(dāng)編號(hào)為“1”的球與波谷接觸時(shí)
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH133.33

【參考文獻(xiàn)】

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1 董明;馬宏偉;陳淵;;集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸庠谝簤褐Ъ芎缚p超聲信號(hào)消噪中的應(yīng)用研究[J];礦山機(jī)械;2016年09期

2 李明愛(ài);田曉霞;孫炎s

本文編號(hào)：2559276