一种滚动轴承性能保持可靠性的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于滚动轴承服役性能失效评估与性能可靠性预测技术领域，具体设及一 种滚动轴承性能保持可靠性的预测方法。
【背景技术】
[0002] 滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失 的一种精密机械元件。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架等组成，内圈的作用是 与轴相配合并与轴一起旋转；外圈的作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体在内圈 和外圈之间滚动，承受和传递载荷；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落与相互碰 撞，引导滚动体旋转和改善轴承内部润滑。
[0003] 滚动轴承是机械传动系统中最重要的部件之一，在航空航天、船舶、汽车、轨道交 通领域都有着广泛的应用。滚动轴承同时也是机械系统中容易损坏的部分，需要定时地维 护和更换。滚动轴承的维护和更换通常需要对整个机械系统进行拆装，拆装过程中消耗的 时间、人力物力成本通常是轴承本身成本的成百上千倍。然而，维护和更换的不及时可能 致使整个系统因轴承的失效而无法工作，造成更大的经济损失甚至危及操作人员的生命安 全。因此，根据具体工况和轴承参数准确预测使用寿命，可W极大地减少过度维护，降低其 使用成本和维护成本，对工业生产及科技发展都有十分重要的作用。
[0004] 滚动轴承的性能主要包括振动、噪声、摩擦力矩、溫升、旋转精度等，运些性能对机 械系统的运行性能有重要影响。滚动轴承的性能失效是指运行过程中，滚动轴承因内部零 件润滑不良、摩擦与磨损、损伤、粘结、腐蚀、变形等故障而失去其运行性能或不能正常工作 的现象。滚动轴承保持最佳性能势态运行，是机械系统实现最佳性能势态运行的基础。根 据随机过程理论，在未来时间滚动轴承保持最佳性能势态运行的可靠性将发生变化，运会 增大危害机械系统安全可靠运行的可能性。因此，研究滚动轴承性能保持可靠性具有重要 的应用价值。
[0005] 一般来说，滚动轴承的性能失效试验是指：按照某个标准，如国家标准或行业标 准，从一批滚动轴承中随机抽取一定数目样本，然后将抽取的样品放在相同的试验环境下 进行可靠性寿命完全试验，得到每个失效样品的寿命，最后根据标准GB/T24607-2009对试 验数据进行处理，给出滚动轴承的形状参数b、L10、特征寿命与平均寿命等可靠性指标，据 此对运批轴承做出可靠性评价或分析。但是由于滚动轴承质量的提高，在可靠性试验过程 中要做到每个样品都失效是不现实也不必要的；对一些价格昂贵、数量少的滚动轴承作完 全试验是不现实的。
[0006] 现有的性能可靠性评估与预测方法，W事先假设性能密度函数、性能退化轨迹W 及性能失效阔值已知为依据获取性能可靠性，已经取得了一定的效果。现有可靠性评估方 法中，《宇航学报》2006年第3期发表了题为"基于性能退化数据的可靠性评估"的文章， 该文章假设性能退化轨迹为时间的线性函数，考虑性能退化值服从正态分布且给定阔值， 可W进行宇航系统性能退化的可靠性评估。在现有的滚动轴承性能可靠性评估方法中， CN104318043A公开了一种滚动轴承振动性能可靠性变异过程检测方法，该方法凭借时间序 列的计数过程，在短时间区间内获取轴承振动表现出的变异强度的极少量原始信息；经过 对变异强度原始信息的自助再抽样，模拟出变异强度的大量生成信息；用灰预测模型处理 生成信息，获取变异强度估计值；用泊松过程表征可靠性函数，实时预测轴承振动性能可靠 性的变异过程。该方法基于振动信息的时间序列，将灰自助原理融入泊松过程，提出灰自 助泊松方法，W预测滚动轴承性能可靠性的变异过程。但是，该方法需要事先性能试验获取 性能阔值，该阔值是通过试验获得的，根据选取的损伤部位和传感器不同，对应的阔值也不 同。因此，现有可靠性评估方法中，在性能密度函数先验信息未知且没有事先设定性能阔值 时，无法对滚动轴承性能可靠性的变异过程进行预测。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种滚动轴承性能保持可靠性的预测方法，在性能密度函数 先验信息未知且无事先设定性能阔值的情况下，解决滚动轴承性能保持可靠性预测问题。 [000引为了实现W上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0009] 一种滚动轴承性能保持可靠性的预测方法，包括下列步骤：
[0010] 1)在滚动轴承运行性能最佳时期，测量滚动轴承性能，获取性能数据；
[0011] 2)根据最大赌原理，用步骤1)所得性能数据构建性能样本密度函数；
[0012] 3)根据小概率事件原理得到置信度，用分位数方法获取性能随机变量的置信区 间；
[0013] 4)根据泊松计数过程，获取性能数据落在性能随机变量置信区间之外的频率；
[0014] 5)根据泊松计数过程的无失效概率，由性能数据落在性能随机变量置信区间之外 的频率获得滚动轴承性能保持可靠度；
[0015] 6)根据测量理论的相对误差概念，获取滚动轴承在未来时间的性能保持相对可靠 度，根据该性能保持相对可靠度预测滚动轴承在未来时间保持最佳性能势态的失效程度。
[0016] 步骤1)所得性能数据是指滚动轴承在评估时间区间内运行的性能数据，所述评 估时间区间是指滚动轴承跑合期结束后的一个时间区间，评估时间区间的末端时间为当前 时间，t= 1;评估时间区间之后的时间区间，称为预测时间区间，t> 1，每个预测时间区间与 评估时间区间具有相同的时间跨度，预测时间区间的末端时间即为步骤6)所述的未来时 间。每增加1个预测时间区间，未来时间t加1 ;时间t的单位与评估时间区间的单位一致。
[0017] 所述评估时间区间处于滚动轴承运行性能最佳时期，是指该时间区间内的滚动轴 承运行性能势态最佳；所述滚动轴承运行性能最佳时期内，滚动轴承运行保持最佳性能势 态，是指几乎没有性能失效的可能性；该时期通常位于滚动轴承跑合期结束后邻近的时间 区间。
[001引滚动轴承性能主要包括振动、噪声、摩擦力矩、溫升、旋转精度等。步骤1)中，在滚 动轴承运行性能最佳时期，通过测量系统定期测量滚动轴承某性能，进而预测滚动轴承该 性能失效程度在未来时间的时间历程。
[0019] 构建性能样本密度函数的性能数据为K个，第k个性能数据为Xk，k= 1，2,…，K; K> 1000 ;
[0020] 所述性能样本密度函数为p(x):
[0021]
Cl),
[0022] 式（1)中，X为描述滚动轴承性能的性能随机变量；m为最高原点矩阶次；i为原点 矩阶次；入。，^1，…，入m为拉格朗日乘子，且有首个拉格朗日乘子^。为：
[0023]
(2)，
[0024] 式似中，X为描述滚动轴承性能的性能随机变量；Si为性能随机变量X可行域的 下界值；S2为性能随机变量X可行域的上界值；i为原点矩阶次；A1为第i个拉格朗日乘 子，拉格朗日乘子^1，^2，…，入m由式（3)的m个方程组获得：
[00巧]
巧)，
[0026] 式（3)中，X为描述滚动轴承性能的性能随机变量；而为第k个性能数据，k表示 性能数据的序号，K为性能数据个数诗为性能随机变量X可行域的下界值，S2为性能随机 变量X可行域的上界值；i和j均为原点矩阶次，m为最高原点矩阶次，A1为第i个拉格朗 日乘子。
[0027] 步骤3)中，置信度是对滚动轴承性能总体所固有的最佳运行性能势态发生概率 的表征，其获取方法是：根据统计学的小概率事件原理，显著性水平可W取值为0~0. 2,如 0. 01、0. 05、0. 1等，对应的置信度为1~0. 8,如0. 99、0. 95、0. 9等；置信度的取值W小概率 事件原理为依据，事先通过性能试验确定，表征出滚动轴承性能总体所固有的最佳运行性 能势态的发生概率。
[0028] 所述置信度PW小概率事件原理为依据，事先通过性能试验确定，具体方法包括 下列步骤：
[0029]i)事先选择同一种滚动轴承进行性能试验，在滚动轴承运行性能处于最佳时期进 行检测，获得K> 1000个性能数据，K为性能数据个数；用K个性能数据构建性能样本密度 函数P(x);选择置信度估计值Pq分别依次为1、〇. 999、0. 99、0. 95、0. 9、0. 85、0. 8等7个值， 用分位数方法求出对应于Pq的第q个性能随机变量置信区间技WX。。]，记录在K个性能数 据中有多少个数据落在性能随机变量置信区间技wX。。]之外，并由此获取性能数据落在性 能随机变量置信区间技WX。。]之外的第q个频率值Aq，运里、q与X。。分别是下界值与上 界值，序号q= 1，2, 3,…，7;
[0030] U)继续进行该滚动轴承性能试验与检测，直到性能失效，获得性能失效时的 W> 1000个性能失效数据，W为性能失效数据个数；或者，在滚动轴承运行性能处于最佳时 期获得K个性能数据之后，暂停试验，取出该滚动轴承，在其滚道的滚动表面构建出性能失 效时的故障，模拟出性能失效时的故障，再对有模拟性能失效时故障的滚动轴承进行检测， 获得性能失效时的W个性能失效数据；
[0031] iii)记录在W个性能失效数据中有多少个数据落在性能随机变量置信区间技,q， Xuq]之外，并由此获取性能失效数据落在性能随机变量置信区间拓q，Xuq]之外的第q个频 率值Pq，运里、q与X。。分别是下界值与上界值，序号q= 1，2, 3,…，7 ; 阳0巧 iv)按公式dq= {[exp(-pq)-exp(-入q)]/exp(-入q)}X100%计算性能失效时的 滚动轴承性能保持相对可靠度dq，获得第q个dq值，运里Aq为性能数据落在性能随机变 量置信区间技X。。]之外的第q个频率值，Pq为性能失效数据落在性能随机变量置信区 间化。，之外的第q个频率值，序号q= 1，2, 3,…，7 ;从7个dq值中挑出小于且最靠 近-10 %的那个，标记其下标q为q*，所对应的置信度估计值PqJ尤是W小概率事件原理为 依据，事先通过性能试验确定的置信度P。
[0033] 上述方法中，步骤i)中、q与X。。的计算方法分别同X神X。;步骤ii)中，在滚动表 面构建出性能失效时的故障方法为用酸性物质在滚道的滚动表面上沿圆周方向W间隔120 度的角度共腐蚀出3个小的且肉眼可见的斑点，模拟出性能失效时的故障。
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