模擬空間環(huán)境下滾動軸承壽命的振動譜表征與預(yù)測方法研究.pdf

1、固體潤滑滾動軸承是空間運動機構(gòu)的關(guān)鍵零部件，衛(wèi)星、空間站等空間飛行器的機械部件能否正常運轉(zhuǎn)、實現(xiàn)預(yù)定功能和達到預(yù)期壽命，在很大程度上取決于飛行器內(nèi)各機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，即完全試驗與截尾試驗，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

2、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

3、泵）運行，以及狹小空間內(nèi)多組軸承的同時試驗，導(dǎo)致實測軸承振動信號受到強烈的環(huán)境噪聲干擾，因此，在強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，軸向負載發(fā)生變化；由于真空室容量限制，難以實施電機轉(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)境試驗條件苛刻，軸承壽命試驗需要投入

4、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的這些特點導(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)針對強噪聲

5、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臺運行而引入的環(huán)境干擾；利用一組通帶部分重疊帶通濾波器組對信號進行濾波，提出了最大譜峭度最小冗余準則用于能量占優(yōu)濾波信號分量的選?。桓鶕?jù)經(jīng)驗?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

6、信號進一步分解，實現(xiàn)自適應(yīng)信號分量分離；計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分量進行篩選和重構(gòu)，實現(xiàn)強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，提出了基于幅值標準化和相似性度量的量化特征提取方法。研究轉(zhuǎn)速和負載因素對軸承振動信號的影響，通

7、過幅值標準化降低轉(zhuǎn)速、負載不同導(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??；構(gòu)建基于相似性度量的滾動軸承退化量化特征指標，實現(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的滾動軸承壽命預(yù)測方法。模擬空間環(huán)境下

8、，受試驗周期限制，只能對少量軸承做全壽命試驗，更多的軸承需做定時截尾試驗。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