軸承壽命預測方法綜述＊

李 丹

（湖南鐵道職業(yè)技術學院軌道交通機車車輛學院，湖南 株洲 412001）

近年來，眾多學者從多方面對滾動軸承的故障判斷和壽命長短進行了研究，采用的研究方法可大致劃分為三種。第一種是數(shù)值計算法，即采用物理模型對軸承的壽命進行預測；第二種是試驗方法，即基于數(shù)據(jù)驅動的壽命預測；第三種是理論與試驗相結合的壽命預測方法。

1 數(shù)值計算軸承壽命預測

瞿家明等[1]在數(shù)據(jù)驅動思想的前提下，采集軸承的全壽命數(shù)據(jù)，自適應壽命計算模型參數(shù)通過相似度分析和偏差調節(jié)不斷地優(yōu)化。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理后，利用改進的HMM模型建立了軸承的壽命模型，對比觀測數(shù)據(jù)與壽命模型中的數(shù)據(jù)差異，不斷優(yōu)化軸承壽命預測的精度，再利用Pearson相似度系數(shù)構造壽命比例調節(jié)函數(shù)，更新HMM模型。并與一組軸承全壽命的數(shù)據(jù)進行了比較，證明了HMM算法的有效性。

李震等[2]對高速列車軸箱雙列圓錐滾子軸承壽命進行了研究，首先列舉了傳統(tǒng)ISO軸承壽命計算方法的基本原理，同時給出了L-P及L-P改進方法的推導過程，闡述了L-P改進壽命計算方法，通過對滾動體接觸長度方向的離散切片，分段計算其內外滾道的當量接觸載荷，從而得到考慮滾動體影響的軸承綜合壽命計算方法；通過高速列車圓錐滾子軸承的實際壽命計算案例，比對三種方法，得出L-P改進方法計算的軸承壽命最短最準確、L-P計算方法次之、傳統(tǒng)IOS壽命計算方法再次之的結論；通過量化計算，明確給出了L-P改進方法計算的壽命是L-P數(shù)值的45%左右，且此值與軸承游隙呈現(xiàn)正相關關系。

李俊文等[3]引用傳統(tǒng)軸承壽命計算方法，配合各項修正系數(shù)的羅列計算，通過MATLAB語言完成了程序編譯，并利用GUI完成了程序的最終發(fā)布；通過開發(fā)界面對計算實例進行壽命預測，再與理論計算結果對比，完成了計算機壽命預測程序結果的正確性驗證。

呂皓天等[4]從力學角度和材料學角度分別對軸承滾動接觸疲勞（RCF）進行了闡述，力學方面其認為RCF依據(jù)軸承運行周次通常可分為三個演變階段，即安定、穩(wěn)態(tài)響應和失穩(wěn)階段，同時也是軸承微觀組織由彈性向塑性應變轉化的過程；材料學方面其認為軸承壽命的退化過程也就是軸承次表面微觀組織的演變過程，而白蝕區(qū)、暗蝕區(qū)、白蝕帶是對應軸承循環(huán)周次不同階段的三大特征表現(xiàn)。基于傳統(tǒng)軸承理論計算模型，并結合當前技術特點，提出了軸承RCF問題的全流程多維數(shù)值計算方法，即材料科學及其加工學與計算機技術相融合的多維評估，實現(xiàn)更精準更高效的軸承壽命預測。

查浩等[5]基于車輛-軌道耦合模型簡化車輛，簡化的結果是車輛由車體、構架和輪對組成，其他部件忽略不計，但三者之間需要彈性部件的連接，構架與輪對之間為一系懸掛，車體與構架之間為二系懸掛，然后將軸箱軸承看作輪對上的一點，直接與一系懸掛連接在一起，建立軸箱軸承的動力學模型再在軸承壽命計算的基礎上，依據(jù)Palmgren-Miner理論損傷的軸承額定壽命公式。得知列車運行的速度越快，軸承的壽命就越短；軌道激擾越強，軸承的壽命就越短；而線路當中曲線半徑的大小對軸承壽命的影響相對較小。

2 試驗方法軸承壽命預測

楊趙巖等[6]設計了一種動態(tài)加載的情況下雙驅動軸承壽命的試驗方法，軸承在運動過程中，承受載荷的位置也是不斷變動的，其施加的載荷始終保持在軸承的外圈長軸位置，并使用兩個不同轉速的電機分別驅動軸承的組成部分內圈與外圈，將施加載荷的裝置與兩臺驅動電機相結合組成了軸承的壽命試驗機，通過激光測振儀對信號進行采集，并使用Matlab對數(shù)據(jù)進行處理，與李俊陽等人的試驗方法進行了對比，該試驗方法可對軸承疲勞壽命與軸承的振動情況進行實時監(jiān)測。

蔡麗萍等[7]通過對軸承的特性分析得出軸承要能夠在高溫、低溫工作環(huán)境下正常工作，模擬試驗中需要模擬的參數(shù)有高低溫的環(huán)境、高速運轉的工況以及不同載荷的工況。軸承模擬試驗機主要由驅動電機、施加載荷的液壓比例閥、試驗單元、能夠模擬環(huán)境溫度的壓縮機和干冰組合系統(tǒng)、測試系統(tǒng)組成。選取了6207-2Z軸承國內以及國外兩款，分別進行試驗模擬，其所設計的模擬試驗臺能夠有效地模擬出軸承的動態(tài)承載性能。

3 理論與試驗相結合軸承壽命預測

劉德昆等[8]對軸箱軸承的壽命預測方法進行了研究，基于L-P理論的簡化算法，得出軸承的修正額定壽命公式，由修正Palmgren-Miner損傷理論計算出軸箱軸承發(fā)生性能退化直至損壞值，并推導出軸承壽命預測的公式。利用傳感器采集列車在行駛過程中軸箱軸承所承受的載荷情況，求解出當量動載荷、基本額定壽命以及壽命的修正系數(shù)，結合潤滑劑的黏度比計算出修正壽命公式，再以輪徑為860 mm的軸箱軸承為例計算其壽命，此方法與傳統(tǒng)ISO計算軸承壽命相比結果更為準確。

徐洲常等[9]根據(jù)大量的文獻總結出對軸承影響較大的時域指標，利用集合經驗莫泰分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）方法采集時頻域指標，結合數(shù)據(jù)降維的方法（PCA）將得到的時域指標和時頻域指標進行融合從而得到一個綜合指標。通過構建回歸型支持向量機（SVR）模型，并借助GWO算法與差分算法共同對其參數(shù)進行調節(jié)，推導出改進后的SVR軸承剩余壽命預測方法，并具體提供了壽命預測性能評估的理論判據(jù)。筆者以具體電機軸承為實例，分別對通過GWO、DEGWO、GSA三種不同算法優(yōu)化的SVR模型進行對比分析得到結論：優(yōu)化算法對壽命預測模型的性能評估影響較大，且三種改進算法中，經過DEGWO優(yōu)化過的回歸型支持向量機（SVR）模型對軸承壽命的預測更加準確。

胡姚剛等[10]考慮軸承溫度是在不斷變化的，在此基礎上提出了基于Wiener方法的軸承性能退化模型，采用時間、轉速序列數(shù)據(jù)計算不同轉速下對應的溫度值，再利用移動平均法得出溫度趨勢量，采用最大似然法獲得退化模型建立所需的各個物理量。他們認為軸承的剩余壽命服從逆高斯分布，推導出軸承壽命與概率密度函數(shù)密度最大值之間的關系，從而進行剩余壽命的預測。以風力發(fā)電機后軸承為例，通過檢測其正常運轉時的溫度數(shù)據(jù)，并經上述數(shù)值方法處理后得到其溫度趨勢增量曲線，完成軸承剩余壽命的預測，所述方法得到了有效驗證。

鄭靜[11]通過線性擬合的方法對某路段運行機車的采集數(shù)據(jù)進行處理，得到該機車軸承真實的一維應力譜，結合其所述的Miner線性累計損傷預測與傳統(tǒng)S-N壽命預測方法，可為后續(xù)剩余壽命預測的計算提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

謝階棟[12]建立了二維損傷應力數(shù)值模型，通過循環(huán)迭代，完成對目標壽命的預測，同時利用ABAQUS中的UMAT運行原理編寫了用戶子程序，提高了壽命預測效率與精確度；建立了軸承截面簡化模型，實現(xiàn)了接觸表面二維單元模型的建立，通過對破損單元的應力分析，得到了對應循環(huán)次數(shù)的微觀損傷演化過程云圖，有效驗證了次表面單元首先損傷的疲勞剝落機理。通過使用軸承疲勞試驗機與設計疲勞強化試驗方案，完成了對6206球軸承的試驗結果分析與理論壽命預測方法的驗證。