采用知識流理論的高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計

李軍寧,陳渭,謝友柏

(1.西安工業大學機電工程學院,710032,西安;2.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室,710049,西安)

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采用知識流理論的高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計

李軍寧1,2,陳渭2,謝友柏2

(1.西安工業大學機電工程學院,710032,西安;2.西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室,710049,西安)

為了降低高速滾動軸承打滑失效試驗臺設計中知識獲取的復雜度,結合知識流理論對試驗臺集成設計過程進行了知識梳理與基于流程分解的知識解耦,在對功能質量約束需求進行分析的基礎上研制了打滑失效試驗臺。提出了一種支持產品全生命周期設計的一體化知識集成框架,并基于這一框架對打滑失效試驗臺從需求分析直至交付的全生命周期設計過程中的設計知識及其與設計過程的集成模式進行了研究。建立了高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計的知識流模型,對試驗臺集成設計服務及其知識流動情況進行了分析;研究了分布式資源環境下設計知識服務的發布與發現機制,對建立的資源單元進行了基于網絡的知識服務注冊與發布,以利于分布式資源環境下用戶的搜索與發現。研究結果表明,從知識流視角出發對試驗臺集成設計進行研究是可行的,有助于提高設計效率與質量。

知識流;高速滾動軸承;打滑失效;試驗臺;一體化知識集成框架;知識服務

高速輕載滾動軸承的打滑及損傷失效是一個耦合摩擦學、動力學、材料學、熱力學等多學科多領域知識的復雜問題。在航空發動機主軸用高速滾動軸承中,打滑失效時有發生,從而嚴重影響整機服役性能。以往的研究多側重于打滑理論分析以獲得滾子或保持架的滑差率,而在實踐中經常存在的問題是:在相同滑差率下高速輕載滾動軸承有時失效,但有時卻不失效。這是由于摩擦學系統中各種作用因素的復雜性與耦合性所致,因此需要獲取多源設計知識并進行有效梳理與解耦,以獲得其打滑失效機理。

滑差率和打滑失效是兩個不同的概念,此處的“滑差率”反映的是軸承打滑的程度(即軸承滾動體、保持架的實際轉速和理論轉速的偏離程度),而“打滑失效”是指由于滑差率加之其他內、外部因素復合作用下所導致的軸承失效問題。滑差率是打滑失效的必要條件,由于打滑失效還受到其他因素(例如徑向載荷、內圈轉速、潤滑情況、表面形貌)的多重影響,因此滑差率的存在不一定會導致軸承的打滑失效。已有的理論研究很難精確回答打滑與失效之間的關系,因而需要從試驗視角出發研究打滑失效這一綜合現象。在試驗研究方面,Selvaraj等開發了一個試驗臺,并通過試驗研究主軸轉速、徑向載荷、潤滑油黏度、滾子數等參數對圓柱滾子軸承保持架滑差率的影響,獲得了保持架滑差率28%、滾子滑差率78%時軸承外圈的溫度[1]。打滑失效經常發生在內圈和滾子接觸對間,因此Selvaraj等獲得的外圈溫度僅可作為參考。國內外可實現快速計算滾動接觸疲勞數據的滾-滑摩擦試驗系統主要包括:滾-滑盤式試驗系統(處理線接觸問題)[2];球盤試驗系統(處理點接觸問題)[3]。其中,滾-滑盤式試驗系統主要通過試驗測量彈流潤滑接觸中的摩擦力及摩擦力對于滾滑接觸摩擦力的影響;球盤試驗系統針對點接觸的油膜潤滑狀態,可測定赫茲點接觸的壓力分布與接觸拖動力,進而可構建點接觸彈性流體動力潤滑(EHL)數學模型。此外,高速輕載滾動軸承的打滑失效中常含有擦傷形式,因此對于滾動軸承擦傷失效的研究也非常重要。Cocks等的研究表明,在滾動軸承擦傷失效中,滾動體的滑動是一個關鍵影響因素[4]。Hamer等指出,擦傷是一種主要發生在低速狀態下大型滾子軸承上的失效現象,并在三滾子測試臺上通過試驗研究了滾子軸承擦傷失效的邊界問題[5]。Evans等進行了擦傷試驗以評估4種工程表面處理方法對重載滾子軸承擦傷失效的影響,測試結果表明:不同表面處理方法對軸承擦傷失效具有不同的影響,其中WC/a-C:H滾子涂層具有最好的抗擦傷能力;擦傷失效主要發生在內圈表面上;試驗所用測試臺可以通過載荷反向來測試保持架的滑差率[6]。

以往的試驗研究主要集中在高速滾動軸承的打滑預測與防止打滑的措施方法上,大多是以滾動軸承整體作為研究對象進行各種因素作用下滑差率的測定,但由于滾動軸承內部接觸關系、運動關系及潤滑問題的極度復雜性,加之眾多影響因素的耦合性[7-8],因此很難獲取具體因素導致高速滾動軸承打滑失效的機理,需要研制專用試驗臺對具體因素導致打滑失效的機理進行試驗研究。由于高速滾動軸承打滑失效影響因素的復雜性與耦合性,因此在打滑失效試驗臺的開發中存在的難點在于如何有效地對其進行知識分解與解耦,以提出有針對性的試驗臺開發與試驗方案。針對設計知識解耦的問題,謝友柏院士提出的知識流理論側重對知識的生成、進化、演變、流動、應用等方面的研究,適用于對需要獲取更多知識的復雜機械系統集成設計過程的支持[9-10],其本質和作用在于通過知識梳理與知識解耦設計,從而降低設計知識獲取的復雜性,提高知識獲取的效率。

本文探索采用知識流理論對高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計過程進行知識梳理與基于流程分解的知識解耦,在基于功能-質量-約束特征的需求分析基礎上研制打滑失效試驗臺,并以此作為案例來探索知識流理論在試驗平臺類資源單元建設中的具體應用及其知識服務實現方法。

1 基于一體化知識集成框架的試驗臺集成設計過程

設計知識流理論的核心在于以知識為基礎、以新知識獲取為中心,通過知識的視角對產品設計過程進行有效的組織與規劃。為了更好地實現設計知識梳理與解耦以創建符合設計目標的資源單元,首先需要構建一種設計知識集成框架體系,該體系一方面應能有效重用已有設計知識,另一方面還需具有較大的靈活性與可擴展性以支持知識更新和新知識獲取,并集成到整個設計知識流程中,提高設計效率與質量。針對打滑失效試驗平臺這一資源單元的構建,本文提出一種支持知識流動的產品設計一體化知識集成框架,以支持產品全生命周期設計中設計流程規劃、設計知識梳理及其與設計過程的有效集成,從而促進產品的創新設計工作。高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計的知識集成過程如圖1所示。該體系通過細節調整便可支持產品研發、軟件開發及硬件建設等多種設計工作,是一個能有效開發出滿足用戶需要的產品和服務的流程框架。本文中,該體系主要用于對基于知識流理論的設計流程分解后的資源單元的建設過程進行規劃,通過合理組織相關設計知識并有效集成到整個單元開發流程中,來提高設計效率,降低設計工作的復雜度和返工概率。在資源單元的構建過程中,也涉及到許多知識獲取及節點決策問題,需要在分布式資源環境中找尋并集成設計過程中所需要的知識以輔助決策過程,最終完成該資源單元的建設。

圖1 高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計的知識集成過程

該體系主要從“需要什么-如何滿足-確認設計”這3個核心問題方面對設計流程進行分解,通過確認用戶需求、概念設計、計劃與制定產品規格、詳細設計、集成與驗證、交付支持與改進設計工作及其子工作流程,對產品設計進行全面支持。在確定用戶需求階段,通過需求分析確定高速輕載滾動軸承打滑失效試驗臺的主需求為:開發打滑失效試驗臺,獲取滑差組合因素對滾動軸承打滑失效的影響機理。針對這一主需求進行需求分解,通過集成相關需求知識完成概念設計階段的功能需求分析;隨后通過試驗臺結構設計與仿真設計流程確定高速輕載滾動軸承打滑失效試驗臺的規格;接下來通過集成設計需求、試驗臺規格等知識,進行零部件設計、加工圖紙繪制,完成試驗臺的詳細設計;最后完成打滑失效試驗臺組裝、調試、測試、優化等設計工作,并獲取其設計過程知識作為新設計或改進設計的參考知識。

2 高速滾動軸承打滑失效試驗臺的集成設計

2.1 基于功能質量約束特征的試驗臺需求分析

現代產品設計是以產品的需求為出發點,進行產品的功能分解以及子功能之間的映射設計,完成滿足產品需求的原理方案構想和系統化設計。因此,首要的問題在于獲取用戶需求(customer requirement, CA),包含性能需求與約束需求(constraint requirement, CR),其中性能需求又包含功能需求(function requirement, FR)與質量需求(quality requirement, QR),并對其進行細分與建模。

為了對高速輕載滾動軸承的打滑失效機理及其抑制方法進行試驗研究,最高需求在于開發一個相應的打滑失效試驗臺。針對這一用戶需求(CA),設計實體通過對其進行分解可以獲得功能需求(FR),質量需求(QR)和約束需求(CR),并基于此構建基于功能-質量-約束特征需求(FQCR)的分析模型。

FR=設計打滑失效試驗臺以獲取不同滑差組合因素對軸承打滑失效的影響機理;

QR=試驗臺運行安全、可靠,測試結果準確;

CR=滾動軸承測試條件可控,誤差小。

此處,功能需求在于設計高速滾動軸承打滑失效試驗臺,以獲取不同滑差組合因素(滑差率、圈體轉速、徑向載荷、潤滑狀況等)對軸承打滑失效的影響機理。針對用戶需求,在分布式資源環境中找尋并集成設計過程中所需要的知識及服務。經知識獲取發現,能夠實現高速滾動軸承打滑失效試驗臺的最常見設計方法有自頂向下方法[11-12]、自底向上方法[13-14]、模塊化方法[15-16]等,設計實體通過文獻調研及參考以往的設計經驗等已有知識獲取各類設計方法的優缺點,針對試驗臺具體對象獲得較多的可能解決方案SOL{自頂向下設計方法,自底向上設計方法,模塊化設計方法},最終決策為FD{模塊化設計方法}。

接下來,針對模塊化設計方法這一解決方案進行二級分解,對其模塊構成方案進行需求分析。

FR1=試驗臺模塊化設計方案;

QR1=每一模塊相對獨立,模塊之間有機集成;

CR1=能夠有效調節滑差組合因素的數值。

針對模塊化試驗臺結構設計方案這一功能需求,通過文獻調研及參考以往的設計經驗等已有知識,獲取不同模塊組合方案SOL1{四模塊方案,五模塊方案,六模塊方案}的優缺點,最終決策為FD1{五模塊方案},即試驗臺由控制系統、加載系統、測試系統、潤滑系統、試樣夾持機構5個子模塊組成(詳見2.3小節)。然后,針對各子模塊及其有效集成等設計過程進行設計需求的逐級細分,需求分析過程類似,最終形成試驗臺初始設計方案(詳見后文)。

2.2 試驗臺概念設計

滾動軸承在高速輕載條件下運轉時很有可能發生打滑現象,打滑時滾子在與軸承內圈接觸點處的線速度低于不發生打滑時的理論線速度(即軸承內圈的實際線速度)。因此,試驗臺的基本原理是擬通過2臺電主軸分別控制滾子和內圈的轉速來改變滑差率,同時改變潤滑狀況、內圈轉速、徑向載荷等工作條件,從而研究不同滑差組合因素對軸承打滑失效的影響機理。為保證滾子-內圈滾道接觸部位的對中,首先應使2臺電主軸支架的中心線保持平行且處于同一個豎直面內,其次通過高速電主軸下方支撐板上的調節螺栓的上下移動,對高速電主軸整體進行上下微調,從而調節高速電主軸上的滾子使其與內圈保持平行,由此形成試驗臺設計草圖,在需求分析的基礎上完成試驗臺概念設計工作。

2.3 試驗臺計劃與規格制定

試驗中,滾子與內圈接觸點處在純滾動狀態下線速度相同,而在打滑時滾子的線速度低于內圈的線速度。定義滑差率S來描述這種打滑的程度

式中:vg為滾子的實際線速度,r/min;vn為滾子的理論線速度,即內圈線速度,r/min。S越大,打滑就越嚴重。

試驗臺的結構設計采用模塊化設計方法,基于上述需求分析過程對試驗臺進行功能分解與結構分解,形成控制系統、加載系統、測試系統、潤滑系統、試樣夾持機構5個子模塊,通過對各個子模塊的設計實現并集成各個子模塊間的知識流動來完成試驗臺的集成設計[17]。各子模塊的詳細設計過程可參見文獻[18]。高速滾動軸承打滑失效試驗臺的結構組成如圖2所示。

1:支架;2:信號放大器;3,28:螺栓;4:墊塊;5:軸承座;6:軸承座端蓋;7:力傳感器;8:加載機構;9,23:變頻器;10,21:冷卻裝置;11:高速電主軸;12,16:位移傳感器;13:滾動體;14:潤滑裝置;15:紅外測溫儀;17:低速電主軸;18,19:變送器;20:數據采集處理系統;22:拉桿;24:夾頭;25:張緊套;26:內圈;27:壓蓋圖2 高速滾動軸承打滑失效試驗臺的結構組成[16]

圖3 高速滾動軸承打滑失效試驗臺的結構設計總成圖

2.4 試驗臺詳細設計

基于Pro/E軟件對試驗臺結構進行各零部件設計及裝配圖總成,完成試驗平臺中各零部件的加工圖紙,并通過知識集成實現試驗平臺的結構設計工作。圖3是集成各零部件知識后形成的總裝配圖。

為精確控制并研究滾子-內圈接觸對間的動態潤滑膜形成與破裂規律,設計制作了測試用滾動軸承,內圈取自HRB單列圓柱滾子軸承NU209。測試滾動軸承的配置方式如圖4所示。

圖4 測試滾動軸承的配置方式

2.5 試驗臺測試與交付

經過設計、安裝、調試、測試驗證等一系列工作,最終交付的試驗臺的實物照片見圖5。通過調節各滑差因素,即可實現對高速輕載滾動軸承打滑失效機理的試驗研究。

試驗臺工作流程:首先根據受試軸承所要求的滑差率設定高、低速電主軸變頻器的初始頻率,連接冷卻裝置及潤滑裝置,通過加載機構經由滾動體對受試軸承的圈體施加徑向載荷;試驗開始后,采集2個位移傳感器分別傳回的2個電主軸與工件連接處的實際位移信號,并轉換為轉速信號,通過與設定的轉速進行對比來修正轉速,從而控制試驗在一定滑差率下進行;通過非接觸式紅外熱像儀獲得滾動體與受試軸承圈體接觸處的油膜溫度,通過潤滑裝置改變潤滑油型號及流量,通過加載機構控制載荷,并通過改變試樣滾動體及受試軸承的圈體,進而改變工件外觀形貌與性能參數,模擬滾動軸承圈體與滾動體的動態接觸情況,研究各種滑差組合因素作用下高速滾動軸承的打滑失效機理。

圖5 高速滾動軸承打滑失效試驗臺實物照片

3 高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計中的主知識流分析

高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計中主要涉及到試驗臺結構設計、測試系統設計、測量儀器選型、試驗臺總成等相關知識,最終裝配調試成功的試驗臺從知識流的視角屬于一個知識集合。針對高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計中的知識服務,基于Input-Ontology-Output(IOO)模型為其構建了如下主知識流描述模型。

Description:

作為一種試驗臺設計服務,屬于設計類知識服務。

Input:

試驗系統設計需求。

Ontology:

軟件本體:設計軟件(PRO/E),分析軟件(LabVIEW,PAK5.4,溫度測試分析軟件)。

硬件本體:試驗臺硬件本體(ADX85-24z/1.5電主軸,THX1740-3-9/3.7電主軸,潤滑裝置,加載裝置,試驗臺架,滾子內圈,等),測試硬件本體(位移傳感器,力傳感器,變頻器,研華板卡PCL-1710,F561紅外測溫儀或SC7300M紅外熱像儀,蠕動泵,千分表,等)。

Output:

(1)三維設計圖類知識(圖6)。

圖6 高速滾動軸承打滑失效試驗臺三維設計圖

(2)零部件加工圖類知識,如圖3中的基礎、內圈夾具、壓蓋、張緊套等零部件加工圖紙。

(3)試驗臺類知識集合,如圖5中的試驗臺本體及其結構組成知識。

高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計中的知識服務及其主知識流分析如圖7所示。

圖7 高速滾動軸承打滑失效試驗臺的設計流程

4 高速滾動軸承打滑失效試驗知識服務的發布與發現

為了更好地支持分布式資源環境下設計知識流動與知識服務的實現,本課題組開發了現代設計知識服務平臺(www.chinamoderndesign.com),用于促進設計知識及其服務的發布與發現[19]。在高速滾動軸承打滑失效機理研究過程中,很多知識都取自廣泛的分布式知識資源環境,其中很多知識得益于他人的知識貢獻。為了從總體上提高我國知識資源的總量及有效利用率,需要形成一種有償或無償的資源共享機制,通過互聯網這一分布式資源環境中知識資源的發布與發現,從源頭上解決我國中小企業產品創新中經常遇到的知識資源貧乏的不利現狀。另一方面,設計實體對知識資源的請求與使用,也在一定情況下會增強知識擁有者對知識進行更新的欲望和動力。通過知識供、需兩方面及知識中介的共同發展,以期能為我國的產品創新提供知識支持,也希望能夠為其他設計理論與方法的發展創造良好的知識支撐環境。

本文作者在現代設計知識服務平臺的智力資源注冊中心對高速滾動軸承打滑失效試驗知識服務進行了注冊與發布,以供分布式資源環境下設計實體的發現與使用,從而可以實現分布式資源環境下基于網絡的知識服務的注冊、發布、評估、搜索與發現,通過構建知識資源交流與交換的平臺促進知識服務的生成與發展。

5 結 語

本文針對高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計類資源單元的構建、知識流分析及知識服務,進行了設計知識流的實證化研究,在需求分析的基礎上研制了高速滾動軸承打滑失效試驗臺。提出了一種支持產品全生命周期設計的一體化知識集成框架,并基于這一集成框架對高速滾動軸承打滑失效試驗臺這一資源單元從需求分析直至試驗臺交付整個構建過程中的設計知識及其與設計過程的集成模式進行了梳理與研究。基于IOO模型構建了高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計知識流模型,對高速滾動軸承打滑失效試驗臺集成設計服務及其知識流進行了分析,并對其進行了基于網絡的知識服務注冊與發布。研究結果顯示,基于知識流視角對分布式資源環境下的機械系統集成設計過程解耦與知識流動規律進行研究,可以為提高復雜機械系統集成設計的效率和質量提供借鑒。

知識流理論研究由于受觀念、管理、技術等方面的各種制約,目前仍處于初創階段,還有大量的工作需要做,特別是知識流理論的實際應用研究方面。知識流理論側重知識及其服務流程的分析,而高速滾動軸承打滑失效研究側重機理研究,二者的有機結合是個難點。本文嘗試將知識流理論應用到高速滾動軸承打滑失效試驗臺設計中,進行試驗臺架設計中設計知識的梳理與知識解耦,降低設計知識獲取的復雜性以提高設計效率,但限于作者的水平和時間,本文的研究工作還存在一定的局限性和不足,未來擬考慮針對設計全過程的知識流進行更加精細化的分解與應用研究。

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(編輯 葛趙青)

Integrated Design of Skid Damage Test Rig for High-Speed Rolling Bearing Based on Knowledge Flow Theory

LI Junning1,2, CHEN Wei2, XIE Youbai2

(1. School of Mechatronic Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China; 2. Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Skidding damage of rolling bearings often affects the service performance of machinery, which is a complex problem related to tribology, dynamics, materials science, thermodynamics and other multi-disciplinary knowledge. In order to reduce the complexity and to improve the efficiency of knowledge acquisition, the design knowledge is clarified and decoupled based on the knowledge flow theory, and then the skid damage test rig for high-speed rolling bearing is developed based on the function-quality-constraint requirement model. A model of the knowledge integration framework is proposed, which provides an overall technical support for the whole life cycle design process under distributed knowledge resource environment. The test rig design services and knowledge flow are analyzed based on the knowledge flow model. The process and implementation method of knowledge service under distributed knowledge resource environment are analyzed. The knowledge units are registered and released on the knowledge service platform for modern design, which can help search and discover users under the distributed resources environment. The result shows that the integrated design of skid damage test rig based on knowledge flow is feasible and helpful to improve design efficiency and quality.

knowledge flow; high speed rolling bearing; skidding damage; test rig; integrated knowledge integration framework; knowledge service

2014-08-19。

李軍寧(1985—),男,博士,講師,西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室客座研究員。

國家自然科學基金重點資助項目(50935004);Honeywell國際合作項目。

時間:2015-03-02

10.7652/xjtuxb201505014

TH122;TP133.33

A

0253-987X(2015)05-0087-08

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150302.1653.001.html