基于綜合健康指數(shù)的電主軸可靠工作時間預(yù)估研究

司志鵬， 范麗婷， 賈正偉， 劉繼智

（沈陽建筑大學(xué)機(jī) 械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽110168）

0 引言

可靠工作時間預(yù)估作為故障預(yù)測與健康管理（PHM）的重要核心技術(shù)也是最具挑戰(zhàn)性的綜合性技術(shù)， 具有降低維修保障費(fèi)用，提高設(shè)備穩(wěn)定性的重要意義。 蔣熹[1]等基于bayes 法結(jié)合虛擬增廣樣本法做了電主軸的可靠性研究，并驗(yàn)證了合理性。 文獻(xiàn)[2-4]也對bayes 法做了深入的研究拓展及應(yīng)用。邱榮華等[5]基于檢測電主軸的軸端徑向跳動量的退化數(shù)據(jù)，建立了電主軸的退化模型，得到電主軸的使用壽命。遲玉倫等[6]將聲發(fā)射信號作為機(jī)床主軸的性能檢測量，建立退化模型，得到失效壽命，對機(jī)床主軸進(jìn)行可靠性評估。

1 電主軸運(yùn)行的健康指數(shù)

1.1 單一特征參數(shù)的健康指數(shù)計(jì)算方式

健康指數(shù)（Health Index HI），通常將電主軸的健康指數(shù)記為HI，并且規(guī)定HI 的取值范圍為[0，1]，當(dāng)HI 越接近于1 說明設(shè)備的健康狀態(tài)越好， 越接近于0 說明健康狀態(tài)越差。1 代表狀態(tài)最佳，0 代表完全失效。本文需要進(jìn)行歸一化用以量化設(shè)備的健康狀態(tài)：

1.2 多特征參數(shù)融合的健康指數(shù)計(jì)算

電主軸在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生非常多的退化數(shù)據(jù)所以本文提出了采用融合加權(quán)法對電主軸的多個多特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合來進(jìn)行健康狀態(tài)評估， 每個特征參數(shù)賦予一定的權(quán)重。 加權(quán)過程如下：

1.3 健康指數(shù)模型

電力設(shè)備的健康程度與時間的關(guān)系可以表征為：

式中：H0為設(shè)備t0時刻的健康指數(shù)，取0.95；HI（t）—設(shè)備t 時刻的健康指數(shù)；B—老化系數(shù)；t0—設(shè)備初始投運(yùn)的時間；t 為設(shè)備被評估時的時間；

電主軸的預(yù)期運(yùn)行壽命Td和老化系數(shù)B，計(jì)算公式為：

式中：TD—設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命；f1—負(fù)荷修正系數(shù)，約為1.05；f2—環(huán)境修正系數(shù)，約為1.05；HI退役為設(shè)備退役時的健康指數(shù)，一般取0.2。

構(gòu)建的指數(shù)形式的模型為：

2 實(shí)例驗(yàn)證

該電主軸已經(jīng)運(yùn)行360h， 預(yù)期運(yùn)行壽命TD分別為2500h，12000h。 則 預(yù) 期 運(yùn) 行 壽 命Td分 別 為2268h，10884h。 經(jīng)計(jì)算健康指數(shù)見表1。

表1 不同時間下的健康指數(shù)

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)將健康狀態(tài)劃分為以下5 個等級，之間的映射關(guān)系如表2 所示。

表2 健康指數(shù)等級評估

這兩根軸目前已運(yùn)行360h， 健康指數(shù)分別為0.81、0.94。還處于健康狀況。現(xiàn)在將通過計(jì)算得到的前20 組健康指數(shù)，得到的擬合曲線圖分別見圖1、圖2。

圖1 樣本1 前20 組數(shù)據(jù)曲線擬合圖

圖2 樣本2 前20 組數(shù)據(jù)曲線擬合圖

電主軸綜合健康指數(shù)的表達(dá)式分別為：

根據(jù)兩個綜合健康指數(shù)表達(dá)式預(yù)測第30 組的健康指數(shù)分別為0.81，0.94。與前面得到的一樣，證明經(jīng)過擬合所得到的綜合健康指數(shù)函數(shù)表達(dá)式是可靠的。

根據(jù)綜合健康指數(shù)表達(dá)式得到健康指數(shù)隨時間的變化曲線圖分別見圖3-5。

圖4 樣本2 健康曲線圖

圖5 樣本1 與樣本2 健康曲線圖

根據(jù)表2，當(dāng)健康等級達(dá)到三級時即HI=0.6 時，得到t 分別等于1120、5048， 所以當(dāng)電主軸分別再運(yùn)行760h、4688h 后會進(jìn)入三級。 當(dāng)健康等級達(dá)到四級時即HI=0.4時，設(shè)備非常不安全，應(yīng)盡快安排檢修，得到t 分別等于2082、9318。 得到兩根電主軸的未來可靠工作時間分別為1722h、8958h。

3 結(jié)論

本文采用基于綜合健康指數(shù)的電主軸可靠工作時間預(yù)估的方法， 通過將健康指數(shù)作為衡量電主軸健康狀態(tài)的指標(biāo)，最后，建立了電主軸的生命周期曲線來解決電主軸未來的可靠工作時間預(yù)估的問題。 并通過一個實(shí)例來驗(yàn)證所提方法的合理性與可行性， 最終結(jié)果表明本文所提方法具有有效性與合理性。 能夠達(dá)到電主軸可靠工作時間預(yù)估的目的。