专利名称：一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法
技术领域：
本发明属机械设备运行安全可靠评估领域，具体涉及一种滚动轴承运行可靠性定量计算方法。
背景技术：
国家中长期规划Q006-2020年)、“i^一五”规划和国家自然科学基金委学科发展战略研究报告O006-2010年)，均将重大设施运行可靠性、安全性、可维护性等关键技术列为重要研究方向。2009年，美国俄勒冈州立大学Jamie教授在国际权威期刊《SCIENCE》上著文“!Predicting fatigue failures”强调设备寿命预测与安全评估研究的重要性。滚动轴承是旋转机械设备中应用最广泛的机械零件，也是最易损坏的元件之一。在运行过程中， 由于各种原因极易发生点蚀、剥落和磨损等故障。为保证机械设备运行安全可靠，预防重大事故发生，必须对滚动轴承的运行可靠性进行定量评估。传统的可靠性分析方法是在电子设备可靠性分析的基础上发展起来的，在大样本条件下，依赖设备失效寿命数据，基于概率及数理统计理论获取一批设备的整体可靠性。然而对于机械设备，通常样本量稀少，且与电子设备相比，机械设备机械结构间运动关系复杂，故障模型多样，传统的可靠性评估方法难以应用。更为重要的是传统的可靠性分析方法得到的是一批设备在相同运行工况下反映设备整体特性的可靠性评价指标。然而，对于正在运行的单台或小批量设备来说这些数据意义并不大，人们更关心的是当前服役设备的运行安全可靠性。对于机械设备，通常运行环境复杂，同种类型的机械设备其运行工况，如温度、载荷、功率、速度等不尽相同，则其运行可靠性也存在很大差异。因此如何利用设备的运行状态信息，获取反映当前运行设备个体特性的可靠性评价指标至关重要。当机械设备发生故障或工作异常时，其动态信号一般会呈现一定的变化规律。设备的运行状态信息能有效反映设备的运行动态特性、工作精度、揭示设备的性能退化规律， 提供设备可靠性评估的重要信息。近年来有学者开展了基于设备状态信息的可靠性建模， 分析技术，利用可靠性评估模型如比例故障率模型，Logistic模型等建立设备运行状态特征指标与设备可靠性之间的关系，但是这些方法通常需要较多的历史失效寿命数据及运行状态信息实现模型参数估计。对于机械设备，通常样本量稀少，历史失效寿命数据尤其是历史运行状态信息的获取十分困难，这些方法使用受限。针对滚动轴承，其运行安全可靠程度可由其运行状态隶属于运行安全可靠程度的隶属函数确定。本发明定义一个能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标——隶属可靠度，定量描述运行设备在规定的条件下、规定时间内完成规定功能的能力，记为&，其取值范围为W，1]，将表征设备不同运行状态的特征物理参数映射到无量纲的W，1]范围，用同一尺度来衡量设备的运行可靠性；滚动轴承的损伤程度定量识别结果可以有效衡量滚动轴承的运行状态，必然也能在一定程度上反映其运行安全可靠程度，因此依据滚动轴承损伤程度特征指标与其可靠性变化之间关系，建立损伤程度特征指标与隶属可靠度之间的映射函数关系——可靠性隶属函数，基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取滚动轴承损伤定量识别特征指标并代入已建立的可靠性隶属函数中，得到滚动轴承的隶属可靠度，实现小样本条件下基于状态信息的滚动轴承运行可靠性定量计算。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种滚动轴承运行可靠性定量计算方法。首先定义一种能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标——隶属可靠度，其取值范围为W，1]，将表征设备不同运行状态的特征物理参数映射到无量纲的W，l]范围，用同一尺度来衡量设备的运行可靠性；结合滚动轴承故障定量诊断，建立了滚动轴承损伤程度特征指标与隶属可靠度之间的映射函数——可靠性隶属函数；基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承定量损伤识别方法，结合已建立的可靠性隶属函数，得到滚动轴承的隶属可靠度；实现小样本条件下基于状态信息的滚动轴承运行可靠性定量计算。该定量计算方法简单易行，结果可靠，实时性好，提供了一种小样本条件下滚动轴承运行可靠性定量计算方法。本发明的技术方案是这样解决的本发明按以下步骤进行1)首先定义一种能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标——隶属可靠度；2)基于滚动轴承故障定量诊断，建立滚动轴承损伤定量识别特征指标与隶属可靠度之间的映射函数——可靠性隶属函数；3)基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取滚动轴承损伤定量识别特征指标并代入已建立的可靠性隶属函数中，定量计算得到滚动轴承的运行可靠性评价指标——隶属可靠度。所说的定义一种能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标——隶属可靠度，包括以下步骤首先定义集合K为“设备运行安全可靠”，其次定义一种量化设备运行状态隶属于集合K的程度的可靠性评价指标一隶属可靠度，定量描述运行设备在规定的条件下、规定时间内完成规定功能的能力，记为&，其取值范围为W，1]，将表征设备不同运行状态的特征物理参数映射到无量纲的W，1]范围，用同一尺度来衡量设备的运行可靠性。所说的基于滚动轴承故障定量诊断，建立滚动轴承损伤定量识别特征指标与隶属可靠度之间的映射函数——可靠性隶属函数的步骤如下1)依据基于状态信息的滚动轴承故障定量诊断，获取滚动轴承在t时刻的损伤定量识别特征指标st，根据故障诊断基础研究，当St超过一定的阈值之后，St值越大，则滚动轴承运行状态越危险，其隶属于运行安全可靠的程度越低，即其隶属可靠度I(St)越小，因此考虑选用降半正态分布来描述滚动轴承损伤定量识别特征指标与其隶属可靠度之间的映射函数关系，但对于降半正态分布当St趋于无穷大时，其I(St)趋于零，与工程实际滚动轴承运行状态不符，须对降半正态分布函数的尾部进行修正，即当St超过滚动轴承失效阈值时，令I(St)等于0，故选择如下式所示尾部修正的降半正态分布函数表示滚动轴承损伤定量识别特征指标与其隶属可靠度之间的映射函数关系——可靠性隶属函数
6
Ric(St) =
-"(S-MB
MA<St<MB
MB<St<Mc Si >Mr RK (St)取值范围为
；2)公式中的常数MA、MB、MC及η的值由以下步骤计算得到针对滚动轴承，依据冲击脉冲法，得到一个只与滚动轴承工作状况有关的标准分贝值，相当于上式中的损伤定量识别特征指标st，依据St值，有滚动轴承运行状态如下判断标准
正常状态，轴承工作状况良好； 轻微故障，轴承有早期故障； 严重故障，轴承有明显损伤； 轴承完全失效；
(1)0^ St ^ 21dB
(2)21< St ^ 35dB
(3)35< St ^ 60dB
(4)St > 60dB
给定滚动轴承可靠性评价指标——隶属可靠度判断标准，用分贝表示时，当
O^ St ^ 21dB时，滚动轴承运行状态正常，定义其隶属可靠度为1 ；当21 < St < 35dB时， 滚动轴承出现不同程度的轻微故障，其可靠性开始下降，当St = 35dB时，滚动轴承介于轻微故障与严重故障之间，根据“亦此亦彼”的数学取值原理，此时令其隶属可靠度为0.5，并将其作为滚动轴承不可靠的临界值，因此当21 < St < 35dB时，定义其隶属可靠度范围为 1 > Rk(St)彡0. 5 ；当35 < St彡60dB，滚动轴承出现不同程度的严重故障，定义其隶属可靠度范围为0. 5 > Rk(St) > 0 ；依据标准，滚动轴承寿命终点标准分贝值为60dB，因此当St > 60dB时，定义其隶属可靠度为0，滚动轴承在运行过程中，其运行状态为连续劣化过程， 判断标准(2)和(3)可合并为21 < St彡60dB，则判断标准简化为(1) 0 ^ St ^ 21dB 正常状态，滚动轴承工作状况良好；(2)21 < St ^ 60dB 滚动轴承出现不同程度劣化；(3) St > 60dB滚动轴承完全失效；据此，可相应获得Ma、Mb、Mc 的值分别为 Ma = OdB, Mb = 21dB、Mc = 60dB ；则滚动轴承的可靠性隶属函数可表示为 Rk(S1)
e
0
-"(S-21)2
<21dB
21<^ <60dB S‘ >60dB 当St = 35dB时有&(35) = 0. 5，通过解方程，计算得到η = 0. 0035，则滚动轴承
的可靠性隶属函数为。 Ric(St) =
-0.0035(4-21)2
0<^<21dB
21<^ <60dB St > 60dB 所说的基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取t时刻滚动轴承损伤程度定量识别特征指标并代入已建立的可靠性隶属函数中，定量得到滚动轴承的隶属可靠度包括以下步骤1)首先利用改进的冗余第二代小波变换对所获取的t时刻滚动轴承状态信息进行分解，对分解后各频带信号进行Hilbert包络解调，计算各频带滚动轴承故障特征频率对应包络谱幅值的分贝值，选取各频带故障特征频率对应分贝值的最大值作为滚动轴承损伤定量识别特征指标，记为St ；2)将St代入已建立的可靠性隶属函数
权利要求
1.一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法，其特征在于1)定义一种能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标一隶属可靠度；2)基于滚动轴承故障定量识别，建立滚动轴承损伤定量识别特征指标与其隶属可靠度之间的映射函数——可靠性隶属函数；3)基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取滚动轴承损伤定量识别特征指标并代入已建立的可靠性隶属函数中，定量计算得到滚动轴承的运行可靠性评价指标——隶属可靠度。
2.根据权利要求1所述的一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法，其特征在于，所说的定义一种能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标——隶属可靠度，包括以下步骤首先定义集合K为“设备运行安全可靠”，其次定义一种量化设备运行状态隶属于集合 K的程度的可靠性评价指标——隶属可靠度，定量描述运行设备在规定的条件下、规定时间内完成规定功能的能力，记为&，其取值范围为W，1]，将表征设备不同运行状态的特征物理参数映射到无量纲的W，l]范围。
3.根据权利要求1所述的一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法，其特征在于，所说的基于滚动轴承故障定量识别，建立滚动轴承损伤定量识别特征指标与隶属可靠度之间的映射函数——可靠性隶属函数的步骤如下利用基于状态信息的滚动轴承故障定量识别，获取运行滚动轴承在t时刻的损伤定量识别特征指标st，根据故障诊断基础研究，当St超过一定的阈值之后，St值越大，则滚动轴承运行状态越危险，其隶属于运行安全可靠的程度越低，即其隶属可靠度I(St)越小，因此考虑选用降半正态分布来描述滚动轴承损伤定量识别特征指标与其隶属可靠度之间的映射函数关系，但对于降半正态分布当St趋于无穷大时，其I(St)趋于零，与工程实际滚动轴承运行状态不符，须对降半正态分布函数的尾部进行修正，即当St超过滚动轴承失效阈值时，令I(St)等于0，故选择如下式所示尾部修正的降半正态分布函数表示滚动轴承损伤定量识别特征指标与其隶属可靠度之间的映射函数关系——可靠性隶属函数
4.根据权利3所述的一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法，可靠性隶属函数式中的Ma、Mb、Mc及常数η的值由以下方法得到针对滚动轴承，依据冲击脉冲法得到一个只与滚动轴承工作状况有关的标准分贝值， 即为上式中的损伤定量识别特征指标St，依据St值有滚动轴承运行状态如下判断标准(1)0≤St ≤21dB(2)21St ≤35dB(3)35< St ≤60dB(4)St > 60dB正常状态，滚动轴承工作状况良好； 轻微故障，滚动轴承有早期故障； 严重故障，滚动轴承有明显损伤； 滚动轴承完全失效；给定滚动轴承可靠性评价指标——隶属可靠度判断标准，用分贝表示时，当O^ St ^ 21dB时，滚动轴承运行状态正常，定义其隶属可靠度为1 ；当21 < St < 35dB时，滚动轴承出现不同程度的轻微故障，其可靠性开始下降，当St = 35dB时，滚动轴承介于轻微故障与严重故障之间，根据“亦此亦彼”的数学取值原理，此时令其隶属可靠度为0.5，并将其作为滚动轴承不可靠的临界值，因此当21 < St < 35dB时，定义其隶属可靠度范围为1> Rk(St)彡0. 5 ；当35 < St彡60dB，滚动轴承出现不同程度的严重故障，定义其隶属可靠度范围为0. 5 > Rk(St) > 0 ；依据标准，滚动轴承寿命终点标准分贝值为60dB，因此当St> 60dB时，定义其隶属可靠度为0，滚动轴承在运行过程中，其运行状态为连续劣化过程，判断标准(2)和(3)可合并为21 < St彡60dB，则判断标准简化为(1)0^ St ^ 21dB 正常状态，滚动轴承工作状况良好；(2)21< St ^ 60dB 滚动轴承出现不同程度劣化；(3)St > 60dB滚动轴承完全失效；据此，可相应获得Ma、Mb、Mc的值分别为Ma = OdB, Mb = 21dB、Mc = 60dB ；则滚动轴承的可靠性隶属函数可表示为
5.根据权利要求1所述的一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法，其特征在于，所说的基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取滚动轴承损伤程度定量识别特征指标并代入已建立的可靠性隶属函数中，定量计算得到滚动轴承的隶属可靠度包括以下步骤首先基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取t时刻滚动轴承损伤程度定量识别特征指标，记为St ；其次将St代入已建立的可靠性隶属函数
全文摘要
本发明公开了一种定量计算滚动轴承运行可靠性的方法。首先定义一种能够用同一尺度量化设备在规定时间内运行状态隶属于安全可靠的程度的可靠性指标——隶属可靠度；针对设备关键部件滚动轴承，基于故障定量识别，建立滚动轴承损伤定量识别特征指标与其隶属可靠度之间的映射函数关系——可靠性隶属函数；基于滚动轴承运行信号的有限样本，利用改进的冗余第二代小波变换的滚动轴承损伤定量识别方法，获取滚动轴承损伤定量识别特征指标并代入已建立的可靠性隶属函数中，得到滚动轴承的隶属可靠度，实现小样本条件下基于状态信息的滚动轴承运行可靠性定量计算。本发明简单易行，结果可靠，实时性好，适用于定量计算小样本条件下滚动轴承的运行可靠性。
文档编号G01M13/04GK102393299SQ20111021989
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者何正嘉, 张周锁, 曹宏瑞, 李兵, 蔡改改, 訾艳阳, 陈雪峰 申请人:西安交通大学