基于状态振动特征的空间滚动轴承可靠性评估方法研究

摘要

滚动轴承作为空间活动部件的重要组成部分,它的运行状态直接影响整个空间活动件的运行性能。实践表明,空间活动件的故障大多是出自其轴承的问题,但是在空间场合,由于轴承应用受到环境条件的限制,不可能采用备份来保证轴承的可靠性,所以轴承一旦出现问题,将导致整个空间活动件的性能破坏。空间环境下的滚动轴承要承受低温和交变温度、原子氧侵蚀等极端环境的综合作用,极易造成空间滚动轴承的精度失效,加快空间滚动轴承的损坏。由于空间环境下轴承的失效机理与地面环境下的失效机理存在差异,因此为了保证空间活动件高可靠、长寿命运行,避免一些重大事故的发生,需在模拟空间环境下开展滚动轴承运行可靠度评估。
　　传统的可靠度评估方法,将概率论和数理统计理论作为主要的数学工具,利用大量的具有概率重复性的失效样本,以确定失效分布类型,从而获得宏观意义上一批同类设备共性的平均可靠度。然而,对于空间滚动轴承而言,由于运行工况不同、转速不稳定等因素的影响,各个滚动轴承的损伤、故障程度不同,导致其运行可靠度也必然不同。针对某个具体的空间滚动轴承进行运行可靠性评估是个性问题,而基于大样本条件并依赖概率统计数据得到的平均可靠度难以满足单个空间滚动轴承的运行可靠性评估要求。
　　由于轴承的状态特征量能够提供可靠性评估的重要信息,因此,基于状态特征量的可靠性建模与分析技术是解决单个空间滚动轴承运行状态可靠性评估需求的一个重要途径。目前,反映轴承运行状态的特征量主要有三种,即摩擦力矩、振动和温度,由于摩擦力矩、温度等参数等不能有效反映空间滚动轴承寿命状态的变化,因此论文选用包涵空间滚动轴承寿命特征信息丰富的振动信号作为状态特征量以评估滚动轴承运行过程中的可靠度。比例故障率模型(Proportional hazard model, PHM)是其中一种最为常用的基于振动特征的可靠性评估模型,基于比例故障率模型的可靠性评估方法的关键是提取反映空间滚动轴承运行状态的特征指标及确定比例故障率模型的具体数学表达式,由实时获取的振动信号提取振动特征指标,评估空间滚动轴承的运行可靠度。同时,结合性能退化趋势预测理论,在已建立的比例故障率模型的基础上,实现空间滚动轴承的可靠度趋势预测,以确定滚动轴承在未来任意一段时间内的可靠度。具体内容安排如下:
　　①基于状态振动特征的可靠度评估技术首要解决的是特征指标构建的问题,为此研究了基于多域特征融合的构建方法。提取时域、频域、时频域和威布尔分布特征信息组成高维多域特征集,采用流形学习方法对多域特征进行维数约简,以解决高维特征集之间存在的冲突、冗余问题,并将约简以后的特征信息作为趋势预测的特征指标及比例故障率模型的响应协变量。
　　②针对单个空间滚动轴承运行状态可靠性评估要求,同时克服经典的可靠性分析方法存在的问题,提出了基于振动特征指标的比例故障率模型评估可靠度评估方法。将高维多域特征集维数约简后的特征信息作为比例故障率模型的响应协变量,采用极大似然函数原理估计模型的待定参数,建立空间滚动轴承状态特征指标与可靠度之间的数学模型,实现空间滚动轴承运行状态的可靠性评估。
　　③针对单个空间滚动轴承可靠度趋势预测问题,提出了基于性能退化趋势预测的空间滚动轴承可靠度趋势预测方法。将高维多域特征集维数约简后的特征信息作为最小二乘支持向量机的输入,训练并建立趋势预测模型,实现空间滚动轴承性能退化趋势预测。将趋势预测结果代入已建立的比例故障率模型中,即可实现空间滚动轴承的可靠度趋势的预测。
　　④在以上理论的基础上,采用C＃为开发平台,研发空间滚动轴承性能退化趋势预测、运行可靠性评估等功能模块,通过应用对各模块进行检验,并对本文所提方法进行验证。