基于加速试验的轴承寿命预测理论与方法研究

摘要

轴承是装备系统中重要的承载运动件，在装备稳定安全运行中发挥着重要作用。如何准确预测其寿命是各类装备设计研制、使用保障中亟待解决的重要理论问题。由于轴承工作寿命较长，采用传统的基于使用监测和现场试验的轴承寿命预测方法，要准确预测轴承寿命需要很长的时间，试验效率很低，试验费用昂贵，因此研究基于加速试验的轴承寿命预测方法对提高轴承寿命预测效率，节约试验成本，缩短试验周期具有重大意义。
　　本文在国家部委级重点预研基金和国家重大专项的支持下开展了基于加速试验的轴承寿命预测理论与方法研究工作。以滚动轴承和关节轴承为对象，分析了轴承失效机理和寿命模型，系统研究了轴承竞争失效场合加速试验统计分析方法。针对竞争失效独立情形；提出了三参数Weibull分布加速寿命试验建模分析方法，并利用人工鱼群算法进行求解；针对竞争失效相关情形，提出了基于Copula模型的加速寿命试验统计分析方法和加速退化试验统计分析方法；通过仿真算例和应用实例验证了理论与方法的有效性。本文主要研究内容包括：
　　1.研究了滚动轴承和关节轴承失效机理和寿命模型。重点分析了关节轴承磨损失效机理，采用组合磨损计算方法，综合考虑材料摩擦磨损规律、自润滑关节轴承的结构和工作特点，建立自润滑关节轴承磨损寿命模型，为准确计算和预测自润滑关节轴承的磨损寿命和开展关节轴承加速试验奠定了基础。
　　2.针对竞争失效相关场合加速试验数据分析的需要，提出一种新的易于工程应用的多维Archimedean Copula构造方法，该构造方法综合了现有构造方法的特点，过程简单，避免了复杂的条件概率密度计算和多重积分，同时可以方便地表示出更低层的不同变量组合之间的相关关系，为竞争失效相关场合加速试验统计分析提供基本方法。
　　3.提出了三参数Weibull分布竞争失效独立场合加速寿命试验统计分析方法和参数估计方法。以三参数Weibull分布为对象，研究了竞争失效独立场合恒定应力、变应力和步进应力加速寿命试验统计分析方法，建立参数估计的极大似然模型。并通过实例验证了分析方法和模型的有效性和正确性。同时针对竞争失效场合加速试验统计分析中参数多、模型复杂的特点，提出了基于人工鱼群算法的参数估计方法，应用实例结果表明，该方法应用方便简单，估计精度好，为解决竞争失效场合加速寿命试验统计分析中的多参数估计问题提供了一个高效的工具。
　　4.提出了基于Copula模型的竞争失效相关场合寿命试验统计分析方法。基于Copula模型与方法，建立竞争失效场合产品寿命分布与各失效模式边缘分布之间的相关关系，研究了竞争失效相关场合寿命试验统计分析方法，得到其参数估计模型。并通过算例分析了基于Copula模型竞争失效统计分析的特点，验证了分析方法和模型的有效性。
　　5.提出了基于Copula模型的竞争失效相关场合加速寿命试验统计分析方法，分别建立了恒定应力、步进应力加速寿命试验统计分析模型。应用实例表明，本文提出的基于Copula模型的竞争失效相关加速寿命试验统计分析方法正确可行，具有很好的估计效果。
　　6.提出了基于Copula模型的竞争失效相关场合加速退化试验统计分析方法。分别在基于退化量分布和伪失效寿命加速退化试验统计分析的基础上，结合Copula理论，提出了基于退化量分布和基于伪失效寿命的竞争失效相关场合加速退化试验统计分析方法，给出了相关的统计分析流程和参数估计方法，并应用算例进行验证，验证了方法的正确性。
　　7.分别以滚动轴承和关节轴承为对象，开展基于加速试验的轴承寿命预测理论与方法应用验证。应用验证结果表明，加速试验大大缩短了滚动轴承和关节轴承寿命预测所需要的试验时间，加速效果明显，预测结果与试验结果吻合，验证了理论与方法的有效性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.3 研究思路与内容安排

第二章 轴承加速试验机理分析与建模

2.1 滚动轴承疲劳失效机理分析与寿命模型

2.2 关节轴承磨损失效机理分析与寿命模型

2.3 竞争失效相关的Copula模型

2.4 本章小结

第三章 竞争失效独立场合加速寿命试验统计分析方法

3.1 三参数Weibull分布竞争失效独立场合加速寿命试验建模与分析

3.2 基于人工鱼群算法的竞争失效加速试验统计分析参数求解方法

3.3 应用算例

3.4 本章小结

第四章 竞争失效相关场合加速寿命试验统计分析方法

4.1 竞争失效相关场合寿命试验统计分析

4.2 竞争失效相关场合加速寿命试验统计分析方法

4.3 应用算例

4.4 本章小结

第五章 竞争失效相关场合加速退化试验统计分析方法

5.1 基于退化量分布的多退化加速退化试验统计分析方法

5.2 基于伪失效寿命的多退化加速退化试验统计分析方法

5.3 本章小结

第六章 滚动轴承寿命预测应用验证

6.1 概述

6.2 滚动轴承加速寿命试验

6.3 试验数据处理与分析

6.4 本章小结

第七章 关节轴承寿命预测应用验证

7.1 关节轴承加速退化试验

7.2 试验数据处理与分析

7.3 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 研究结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A单参数Archimedean Copulas

附录B 步进应力加速寿命试验仿真数据

附录C 加速退化试验仿真数据