【摘要】：固體潤滑滾動軸承是空間運(yùn)動機(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)械部件中滾動軸承的性能、壽命和可靠性。由于空間在軌環(huán)境中無法獲取軸承運(yùn)行狀態(tài)信息,亟需在地面模擬空間環(huán)境下開展?jié)L動軸承鑒定試驗(yàn),即完全試驗(yàn)與截尾試驗(yàn),來評估和預(yù)測滾動軸承的壽命,建立高可靠長壽命滾動軸承基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,從大量候選滾動軸承中篩選最優(yōu)壽命軸承安裝到空間飛行器中。目前模擬空間環(huán)境下固體潤滑滾動軸承壽命狀態(tài)監(jiān)測手段有摩擦力矩測試和溫度測試,但是,摩擦力矩、溫度包含軸承壽命特征信息單一、對軸承正常壽命階段性能退化不敏感,不能有效反映滾動軸承性能的退化。振動測試作為模擬空間環(huán)境下固體潤滑滾動軸承壽命狀態(tài)監(jiān)測的一個手段逐漸得以關(guān)注,在固體潤滑滾動軸承的壽命表征和預(yù)測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)多組軸承的同時試驗(yàn),導(dǎo)致實(shí)測軸承振動信號受到強(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,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)致變工況下滾動軸承退化趨勢性特征難以提取。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)測模型的構(gòu)建是需要解決的難題。模擬空間環(huán)境下滾動軸承壽命試驗(yàn)的這些特點(diǎn)導(dǎo)致基于振動分析的滾動軸承壽命狀態(tài)表征和預(yù)測具有很大挑戰(zhàn)性。論文針對模擬空間環(huán)境下滾動軸承壽命振動譜表征與預(yù)測的難題,開展自適應(yīng)信號分量分離的滾動軸承微弱特征提取、變工況下滾動軸承退化趨勢性特征提取、小子樣條件下精確壽命預(yù)測模型構(gòu)建等研究,具體研究內(nèi)容如下:1)針對強(qiáng)噪聲干擾下滾動軸承微弱特征提取的難題,提出了自適應(yīng)信號分量分離的滾動軸承微弱特征提取方法。分析并確立模擬空間環(huán)境下滾動軸承振動信號噪聲主要包括測試系統(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信號進(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對濾波信號進(jìn)一步分解,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)信號分量分離;計(jì)算含噪軸承振動信號各固有模式函數(shù)(Intrinsic Mode Function,IMF)分量與含噪軸承振動信號自身、以及與背景噪聲干擾信號IMF分量之間的相關(guān)系數(shù),并據(jù)此對IMF分量進(jìn)行篩選和重構(gòu),實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲干擾下滾動軸承微弱特征提取。2)針對變工況下滾動軸承退化趨勢性特征難以提取的問題,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)載因素對軸承振動信號的影響,通過幅值標(biāo)準(zhǔn)化降低轉(zhuǎn)速、負(fù)載不同導(dǎo)致的振動信號幅值差異;結(jié)合時頻分析在信號局部特征信息挖掘方面的優(yōu)勢,提出了兩種時頻域特征提取方法——基于頻帶分析技術(shù)的特征提取和時頻表示特征約簡的特征提取;構(gòu)建基于相似性度量的滾動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軸承退化趨勢性特征提取。3)針對小子樣條件下精確壽命預(yù)測模型構(gòu)建的問題,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)的滾動軸承壽命預(yù)測方法。模擬空間環(huán)境下,受試驗(yàn)周期限制,只能對少量軸承做全壽命試驗(yàn),更多的軸承需做定時截尾試驗(yàn)。針對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)的滾動軸承壽命預(yù)測方法。針對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軸承壽命預(yù)測模型,提高模擬空間環(huán)境下滾動軸承壽命預(yù)測精度。4)結(jié)合模擬空間環(huán)境下滾動軸承壽命試驗(yàn)特點(diǎn),開發(fā)了一套固體潤滑滾動軸承壽命預(yù)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)振動信號采集、基本信號分析處理、特征提取、壽命預(yù)測和管理維護(hù)等功能,實(shí)現(xiàn)固體潤滑滾動軸承壽命評估和預(yù)測,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)境下固體潤滑滾動軸承壽命評估和預(yù)測。文章最后對本文的工作進(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動體在通過載荷作用線產(chǎn)生了周期性彈性振動，轉(zhuǎn)軸中心因此會上下垂直移動或做水平方向移動。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明該類振動尤其是在軸承低速運(yùn)轉(zhuǎn)時表現(xiàn)更為明顯，振動幅值大小與軸承所受徑向載荷、徑向游隙及滾動體數(shù)目有關(guān)，，而振動頻率與滾動體通過頻率相關(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產(chǎn)生軸向和徑向的振動，這些振動可能激勵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，則自由圓環(huán)第 n 1階徑向彎曲振動的固有頻率nf 以及鋼球振動的固有頻率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：振動階數(shù)

[128]，波紋度峰值的存在是該類振動產(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。滾動體個數(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，對外圈徑向振動影響情況如下：在圖3.3中，討論編號為“1”的球與波峰接觸時的情況，當(dāng)波峰為nZ時，外圈在徑向無位移，而球與nZ±1個波峰數(shù)的波紋面接觸時，在外圈箭頭方向有最大位移；另一種情況下，當(dāng)編號為“1”的球與波谷接觸時
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：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超聲信號消噪中的應(yīng)用研究[J];礦山機(jī)械;2016年09期

2 李明愛;田曉霞;孫炎s

本文編號：2559276