基于运行状态辨识的机械设备关键零部件可靠性评估研究文献综述

文献综述

1.课题的背景及意义

本课题以轴承作为研究对象。滚动轴承是广泛应用的重要机械基础件，其质量的好坏直接影响到主机性能的优劣，而轴承的寿命则是轴承质量的综合反映，在中国轴承行业“十一五”发展规划中，重点要求开展提高滚动轴承寿命和可靠性工程技术攻关。

传统轴承寿命试验方法周期长、费用高且试验结果的可靠性差，而强化试验则在保持接触疲劳失效机理一致的前提下，大大地缩短试验时间，降低了试验成本，从而加快了产品的开发周期和改进步伐，因此轴承寿命强化试验受到越来越多的关注、研究和应用。轴承快速寿命试验包含了比轴承寿命强化试验更为广泛的内涵，它不仅在寿命试验方面，而且在寿命试验的设计，寿命数据的处理、分析，寿命的预测评估，轴承失效的快速诊断、分析、处理等系统技术方面具有更新更广的内容。

一般的轴承主要起支撑转动轴的作用，有的轴承也在支撑转轴的同时也承受很高的载荷。正确地评价一个滚动轴承的有效、安全的工作寿命对安全生产，提高设备生产效率，延长设备使用寿命，使生产顺利高质量进行是十分重要的技术问题。

2.国内外的研究现状及发展趋势

可靠性是产品的一种质量指标，它是指产品在规定的时间、使用条件下完成规定功能的能力，或者是保持功能的时间。产品的可靠性有多种指标形式，它综合体现产品的耐久性、无故障性、维修性、有效性和经济性等。

为了有效提高轴承的可靠性，国内外对此进行了许多研究，并提出了一系列研究轴承可靠性的方法。常家东认为采用平衡磁控溅射离子镀技术制备的CrC复合镀层质量优异；CrC镀层钢球轴承明显降低了轴承的振动值，提高了振动的稳定性和抗温变性能，具有良好的性能可靠性[1]。陈保家提出了一种基于设备运行状态信息的可靠性预测方法，主要包括状态特征指标选取、瞬时可靠度计算以及神经网络预测模型的建立和应用。同时针对强背景噪声下滚动轴承的早期故障诊断问题，提出了一种基于共振稀疏信号分解(RSSD)与小波变换(WT)相结合的故障诊断方法。将RSSD方法与遗传算法和子带重构的质量因子优化方法相结合。另外为有效地识别刀具磨损状态，降低生产成本，保证加工质量，提出一种基于Logistic回归模型的可靠性评估方法[2-4]。陈鹏霏基于虚拟样机技术，采用非线性有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA对往复式压缩机的传动机构进行动态仿真分析，根据仿真结果，应用响应面法构建滑动轴承极限状态方程，分析其可靠性灵敏度，为工程设计提供依据[5]。丁锋基于设备状态的性能退化数据能够提供可靠性评估的重要信息。在集成失效数据可靠性建模技术和基于设备状态的振动信号特征提取的基础上，提出设备状态振动特征的比例故 障率模型可靠性评估的新方法[6]。E.Zio就可靠性工程的研究人员和实践者在分析当今复杂系统时所面临的一些问题和挑战，提出了一些看法[7]。何正嘉提出了基于归一化小波信息熵的可靠性评估和 基于损伤定量识别的可靠性评估，并提出了基于状态信息的航空发动机运行可靠性评估方法[8-9]。胡振章阐述了电动机轴承运行管理方法、轴承安装工艺要求，轴承、润滑脂正确选用原则及轴承选择，旨在说明严格的运行管理、规范的安装工艺、适合的电机轴承及其润滑脂可以减少电机轴承的意外故障，延长电机轴承的使用寿命，提高电机轴承运行可靠性，从而提高主设备运行稳定性和经济性[10]。贾贵西提出CrCN复合镀层钢球轴承可以降低轴承的振动，提高轴承的性能可靠性[11]。为揭示热弹流润滑效应对滚动轴承疲劳可靠性的影响，金燕采用一种结合二次多项式与一次二阶矩法的响应面法进行分析[12]。林义彬和刘冲提出了滚动轴承系统可靠性与寿命的计算式，并对滚筒轴承系统的可靠性与寿命设计进行了分析、归纳，提出了滚动轴承系统的两种设计方法，即常规设计法和精确设计法[13-14]。蔡改改认为传统的基于统计的可靠性评估方法旨在为给定和固定条件下的大量相同单元的总体可靠性提供一种通用和全面的估计。然而，它在描述刀具的操作特性方面效果有限。为了克服这一局限性，提出了一种评估刀具运行可靠性的方法。提出了一种比例协变量模型，建立了运行可靠性与状态监测信息之间的关系[15]。为保障轨道车辆转向架牵引电机滚动轴承安全、平稳、可靠地运行，王立祥提出一种基于振动特征的轨道车辆转向架牵引电机滚动轴承可靠性评估方法[16]。萧文荣认为传统的可靠性评价方法一般需要大量的历史寿命数据和信息。对于没有历史寿命数据的单个机械装置，传统的可靠性评估方法难以进行。为了解决这一难题，提出了一种基于支持证据统计的运行可靠性评估方法。此外，该方法还有望反映单个机械装置的物理状态变化[17]。吴先报分析了计算轴承疲劳寿命可靠性时的可靠性系数、可靠性和基本动态载荷额定值，建立了各参数之间的相互关系，对滚动轴承疲劳寿命可靠性的评定和测试具有积极作用[18]。叶华聪通过MATLAB软件，在安全接触角范围内对深沟球轴承轴向载荷的计算公式进行数值分析，以快速、有效地设计出符合使用需求的许用轴向载荷以及相应的深沟球轴承尺寸参数，为深沟球轴承的设计制造以及合理选用提供方便[19]。为实现车用发动机轴承工作可靠、耐久目的，叶年业应用摩擦学理论及发动机CAE技术对现有机型曲柄连杆机构工作过程进行分析，研究轴承间隙极限状态下轴承比压、轴心轨迹、最小油膜厚度随发动机转速的变化关系，从中对轴承润滑可靠性进行评价[20]。李想提出了一种基于深度学习技术的滚动轴承故障诊断领域自适应方法。采用深度卷积神经网络作为主要结构。为了将源域的监督学习表示方法应用于目标域，最小化多层结构中两个域之间的多核最大均值差异(MMD)[21]。张鹏认为据已有的研究成果显示，滚动轴承的寿命分布服从于wiebull分布，而用在滚动 轴承上的载荷是多种多样的，并具随机性，其典型分布形式为正态分布，这样，就可以利用应力一强度干涉模型对滚动轴承的疲劳可靠性进行计算[22]。陈雪峰提出了利用设备响应状态信息的运行可靠性评估方法[23]。

轴承行业的可靠性考核是从1987年开始的，到现在已进行了五批。对部分产品限期达到可靠性指标的主要目的是为了加强产品可靠性的宏观管理，推进可靠性技术，督促企业自觉重视其产品的可靠性。通过可靠性考核，对企业形成一定的动力和压力，并找出现有产品的薄弱环节以及与同行业的差距，使企业有针对性地对产品加以改进、提高，并可估计出现有产品的可靠性水平，为开展新型或改进型产品的可靠性设计积累基础数据[24]。在机械产品的研制阶段，估计或预测产品在规定工作条件下的工作能力状态或寿命，保证产品具有所需的可靠性。结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设计等系列可靠性设计理论与方法内涵与递进，力图为解决我国机械工程领域可靠性设计核心技术缺乏的问题指明路线与途径以及为形成产品自主研发能力提供技术服务和储备，对工程实际的机械可靠性设计提供系统成组的理论与方法，可以为机械行业提供可靠性分析与设计的技术服务[25]。

3.参考文献