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（1.杭州軸承試驗研究中心（聯(lián)合國援助）博士后工作站；2.機械工業(yè)軸承產(chǎn)品質量檢測中心（杭州）ISO/IEC 檢測/校準CNAS L0309；3.杭州誠信汽車軸承有限公司）
摘 要：隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的興起，軸承壽命及其健康檢測的研究將被推向新的高度，基于大數(shù)據(jù)對其進行健康狀態(tài)的評估及運行狀態(tài)的預測等研究將有助于提高軸承設備的可靠性，避免軸承健康狀態(tài)的惡化，延長其工作壽命。本文對國內外關于軸承健康檢測與壽命預測方面所取得的成果進行了綜述，并對其前景進行了展望。雖然現(xiàn)有研究已取得一些值得關注的成果，但對軸承設備的運行數(shù)據(jù)收集、退化故障特性信息提取、健康狀態(tài)評估、剩余壽命預測等關鍵技術的研究則開展很少，因此加大這方面的研究對進一步提升軸承的壽命使用性能具有重要的理論意義及應用價值。
關鍵詞：滾動軸承；可靠性；大數(shù)據(jù)；健康監(jiān)測；壽命預測
滾動軸承是決定機械健康狀態(tài)與壽命的關鍵部件之一，軸承壽命及其健康狀態(tài)的研究存在影響因素多、壽命分散度大、試驗費時、數(shù)據(jù)積累難、理論建模難等特點。隨著加工制造及運行過程中數(shù)據(jù)的積累，物聯(lián)網(wǎng)，云計算和智能算法等技術的發(fā)展與普及，生產(chǎn)環(huán)境已經(jīng)慢慢具備了大數(shù)據(jù)環(huán)境的基礎，在此基礎上對軸承健康管理與壽命預測能夠使軸承實現(xiàn)與自身狀態(tài)的相互比較、數(shù)據(jù)和經(jīng)驗模型的積累、故障的協(xié)同診斷，進而成為具備自學習和自成長能力的智慧系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，軸承系統(tǒng)不再是一個獨立運行的個體，通過信息網(wǎng)絡系統(tǒng)對整個制造運行系統(tǒng)中所有設備進行預后分析，使控制與決策端可以看到軸承的狀態(tài)與運行能力。而現(xiàn)階段對于每一類的軸承均由其專業(yè)的傳感器與分析設備進行管理，并沒有建立一個統(tǒng)一的平臺去整合軸承故障中的常用特征與其對應的通用、可重構的算法。另一方面，雖傳感器與分析器可以完成基本的監(jiān)測與預測任務，但是對于根本故障原因的挖掘，高響應的預測方法，大規(guī)模設備集群，多種軸承的協(xié)同管理并不能很好的適配。在軸承健康監(jiān)測及壽命預測方面將面臨苛刻的要求，為此本文將詳細介紹軸承大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測及壽命預測方面取得的成果，并對其發(fā)展方向進行了展望。
1 滾動軸承壽命及可靠性的研究
1.1 軸承壽命及可靠性試驗機發(fā)展及現(xiàn)狀
軸承壽命指軸承的一個滾動體或滾道出現(xiàn)一個疲勞剝落 前的總轉數(shù)或工作小時數(shù)。軸承壽命試驗離不開軸承壽命試驗機，軸承壽命試驗機的發(fā)展也見證了軸承壽命研究的發(fā)展。我國軸承壽命的試驗研究，主要以洛陽軸承研究所和杭州軸承試驗研究中心（聯(lián)合國援助）兩個科研單位帶頭，其他相關企業(yè)的壽命及可靠性試驗基地為輔，共同承擔我國軸承行業(yè)的軸承壽命、可靠性和性能試驗研究工作。目前我國軸承壽命試驗機的設計、研發(fā)、生產(chǎn)等已完全實現(xiàn)自主化，甚至某些技術理念已達到國際領先水平，但相對于斯凱孚、舍弗勒、鐵姆肯、恩梯恩等多個國外軸承大公司而言起步甚晚。在20世紀早期，我國軸承行業(yè)的發(fā)展主要依靠前蘇聯(lián)老大哥的技術支撐，軸承的壽命試驗主要在ZS型軸承壽命試驗機基礎上進行，而這種試驗機的評估質量早已淘汰于軸承服役性能發(fā)展的要求；且杭州軸承試驗研究中心(HBRC)通過聯(lián)合國援助項目從美國引進的“F&M 5”新型滾動軸承疲勞壽命試驗機非但價格昂貴、技術壟斷，還采用氣動高壓動力源和60Hz的電頻率，不適合中國的國情。因此，軸承壽命強化試驗機實現(xiàn)自主化生產(chǎn)已勢在必行，20世紀90年代，杭州軸承試驗研究中心在國外先進壽命試驗機的基礎上，自主研制出ABLT-1型自動控制滾動軸承疲勞壽命強化試驗機，為國內壽命試驗機開辟了新市場和新前景，在當時已具有國際先進水平。隨著ABLT-1型滾動軸承疲勞壽命強化試驗機的降生，國內軸承壽命試驗機的發(fā)展如雨后春筍，但大都是在ABLT-1的基礎上衍生或改進而來。
圖1 ABLT- 1A型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機
隨著軸承生產(chǎn)廠家與使用廠商對其壽命試驗及可靠性工程的重視，待測試軸承型號逐漸多元化，ABLT-1型試驗機已不能滿足諸多不同參數(shù)的軸承。在持續(xù)消化吸收和改進ABLT-1型軸承壽命試驗機的基礎上，杭州軸承試驗研究中心又自行設計研制了2型、3型、4型、5型、6型、7型、8型、9型等ABLT其他系列滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試?機，具有完全自主產(chǎn)權的新型軸承試驗技術和方法。ABLT系列疲勞壽命及可靠性強化試驗機吸收了以前試驗技術的優(yōu)點，進一步加強和完善了自動化控制水平。當下，諸多企業(yè)都在向“工業(yè)4.0、智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+”等大方向努力靠近，壽命試驗機也逐漸向智能化、自動化的趨勢發(fā)展更新。對于不同行業(yè)或不同企業(yè)來說，市場需求模式不同、產(chǎn)品生產(chǎn)加工工藝不同、需求側重點不同，個性化與智能化的需求越來越大。滾動軸承壽命及可靠性試驗機也相應進行了革新，最為核心的革新點為驅動系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，因為影響軸承壽命試驗最為主要的人為控制因素為試驗轉速與載荷。伺服電機與電液伺服閥的加入使得軸承壽命試驗更容易滿足客戶個性化、自動化的要求。驅動裝置采用伺服電機，能夠將電壓信號轉化為電機轉速以驅動控制對象，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性。加載系統(tǒng)運用電液伺服閥，在接受電氣模擬信號后，可相應地輸出調制的流量和壓力，進而將小功率的微弱電氣輸入信號轉換為大功率的液壓能(流量和壓力)輸出，載荷加載更加快速、精確。通過個性化的設計，已基本能夠滿足大多數(shù)滾動軸承疲勞壽命強化試驗的需要。
國內軸承壽命試驗機的發(fā)展已歷經(jīng)40余載，基本已具備了熟練的研發(fā)技術、豐富的測試經(jīng)驗、并積累了大量的試驗數(shù)據(jù)。雖然已取得了一定的研究成果，但是影響軸承壽命的因素太多、太復雜軸承壽命實驗數(shù)據(jù)處理仍需進一步完善?，F(xiàn)應當建立關于軸承疲勞機理研究、失效因素分析、材料冶煉加工工藝、試驗數(shù)據(jù)分析等相關技術的數(shù)據(jù)庫，并盡快提出國產(chǎn)軸承壽命計算各修正系數(shù)的推薦值，以便適用于飛速革新的各類軸承服役信息。
1.2 軸承壽命及可靠性試驗預測研究
軸承在全壽命周期運轉的過程中，很可能會受到高溫、潤滑不良、裝配不當、異物侵入等因素的影響，從而導致軸承的損傷，發(fā)生故障失效。由于軸承壽命非常離散，一批同結構、同材料、同熱處理、同加工方法的軸承在相同的工況下，其最高壽命和最低壽命相差幾十倍甚至更多，傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法顯示軸承壽命試驗數(shù)據(jù)近似符合威布爾分布或者對數(shù)正態(tài)分布，但在實際工況中仍舊難以預判。因此對軸承壽命試驗數(shù)據(jù)的有效處理顯得格外重要，國內外研究機構積極也開展軸承壽命試驗數(shù)據(jù)的相關研究。Saxena等利用功率譜密度參數(shù)作為滾動軸承性能退化指標，對軸承的剩余使用壽命進行了預測，其密度參數(shù)可以診斷故障發(fā)生的位置和程度。肖婷等采用峭度及多域特征集作為趨勢預測指標，在有效反映軸承運行狀態(tài)的同時還可以預測軸承的性能退化趨勢。Banjevic等使用比例風險模型預測了設備的可靠性函數(shù)與剩余壽命，并將某一時刻的協(xié)變量作為基準，預測了其剩余壽命。Kacpnynski在前人研究的基礎上，提出將監(jiān)測數(shù)據(jù)與材料參數(shù)結合的預測模型，并利用該模型開展了滾動軸承壽命預測工作。Kimotho等提出了一種混合差分進化粒子群（DE-PSO）優(yōu)化算法優(yōu)化支持向量機的核函數(shù)和懲罰參數(shù)的預測方法，提高了支持向量機的分類精度和剩余壽命預測的準確性，并采用NASA標準軸承故障數(shù)據(jù)進行驗證。Orsagh等利用Yu-Harris模型，預測了滾動軸承發(fā)生疲勞剝落故障的初始時間，并利用 Kotzalas-Harris模型，預測了滾動軸承的失效時間。Panigrahi提出一種擴散粒子群算法（DPSO），用于解決軸承性能退化研究中的極大似然函數(shù)估計問題，取得了較好的預測效果。
當前基于統(tǒng)計的壽命模型依然在軸承壽命預測中占有主導地位，但是試驗與工程應用發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計壽命模型計算出的壽命通常偏保守，軸承壽命分散度大，所以如何通過軸承性能退化機理研究，完善軸承壽命模型是一個主要問題?；跔顟B(tài)監(jiān)測的壽命預測方法隨著信息新技術與人工智能的發(fā)展而成為一個軸承壽命預測研究的熱點領域。借助于大數(shù)據(jù)、人工智能信息等技術可以獲得反映軸承服役性能的動態(tài)信號、獲得表征軸承性能衰退的信號特征參數(shù)、建立信號特征參數(shù)與剩余壽命之間的映射關系，從而實現(xiàn)剩余壽命的預測。但是缺乏合適的特征參數(shù)來衡量軸承運行過程中性能逐漸衰退的演變規(guī)律，且神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能方法與傳統(tǒng)壽命預測模型相比，物理意義不夠明確，參數(shù)影響因素較大。如何針對其中的難點展開深入研究，對軸承壽命預測技術來說至關重要。
2 滾動軸承大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測的研究
軸承健康監(jiān)測是基于現(xiàn)有的已知數(shù)據(jù)，對軸承未來的運行狀態(tài)趨勢進行一定時間內的變化預測，以期準確、快速地獲得故障發(fā)展信息。對軸承開展狀態(tài)監(jiān)測和健康監(jiān)測工作，可以掌握軸承退化過程規(guī)律，阻止更大的故障發(fā)生，防患于未然。
Caesarendra等采用相關向量機回歸算法和邏輯回歸組合方法對軸承退化程度和預測故障時間進行了評估。Yu等采用局部保局投影法對軸承運行的特征進行提取，并采用高斯混合模型和統(tǒng)計指標進行軸承健康狀態(tài)的評估，研究表明該特征提取的效果明顯優(yōu)于成分分析法。李修文等采用頻域形態(tài)濾波進行低速滾動軸承聲發(fā)射信號降噪，將仿真和實際的軸承信號進行對比，結果表明此方法有很好效果。Rojas等提出了一種基于SVM 的滾動軸承故障診斷方法，將滾動承振動信號的時域特征通過SVM進行滾動軸承狀態(tài)識別。Jeong等采用離散小波變換及譜峭度分析的方法，獲取了滾動軸承各部位故障的特征頻率，完成了滾動軸承內圈-外圈、內圈-滾動體、外圈-滾?體、內圈-外圈-滾動體的復合故障形式診斷。
對于軸承運行狀態(tài)監(jiān)測的指標中，有的是可以通過采集物理參量來實現(xiàn)，如溫度、振動、噪聲幅值等，有的則需要研究人員通過信號處理的方法來進行數(shù)據(jù)的提前，如溫度的變化程度、振動的強度、聲壓強度等。通過這些指標的表征，可以評估出軸承的健康狀態(tài)，進行軸承運行狀態(tài)的預測與預警，指導工程人員采取相應的保護措施，避免軸承健康狀態(tài)的惡化。但現(xiàn)階段對于軸承健康監(jiān)測分析方面，并沒有建立一個統(tǒng)一的平臺去整合軸承故障中的常用特征，而且對于故障原因的挖掘，高響應的預測方法，多種軸承的協(xié)同管理等方面還不是很完善。
3 結論
盡管國內外學者在軸承健康監(jiān)測和壽命預測方面已取得一些值得關注的研究成果，但大部分的研究依然停留在常規(guī)的故障診斷上，對軸承基于大數(shù)據(jù)分析及智能算法評估等方面的研究較少。基于大數(shù)據(jù)分析的軸承故障預測與健康管理，可以實現(xiàn)軸承設備的自主保障。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術的發(fā)展，針對軸承設備開展運行數(shù)據(jù)收集、退化故障特性信息提取、健康狀態(tài)評估等關鍵技術將成為軸承健康監(jiān)測和壽命預測的發(fā)展趨勢。
4 展望
2006年杭州軸承試驗研究中心有限公司創(chuàng)建了杭州市下城區(qū)首個博士后科研工作站，至今已招收20余名博士后（其中16名為HBRC博士后工作站直接招收），從事軸承相關科學技術應用基礎研究。多次承擔縱向國家級和省部級科研課題，并和國內知名企業(yè)、高校、研究院所合作，完成橫向科研項目十余項，為軸承行業(yè)在產(chǎn)學研用、合作共贏方面作出了示范性貢獻。擁有專利、軟件著作權20余件（其中發(fā)明專利授權10件，且已全部商品化）；參與國家標準和行業(yè)相關標準20余項（其中第一起草單位（人）5項）；發(fā)表論文300余篇；出版中英文專業(yè)著作、樣本10余部；獲得國家、省部級獎10余項，近來又榮獲中國機械工業(yè)聯(lián)合會科技進步二等獎2次以及“全國軸承專用裝備研發(fā)制造優(yōu)秀企業(yè)”稱號。
經(jīng)過40余年幾代人的共同努力，杭州軸承試驗研究中心有限公司客戶遍布海內外，主要為軸承生產(chǎn)企業(yè)、軸承用戶、軸承檢測機構、高等院校及科研院所等服務。部分產(chǎn)品已通過歐盟認證，并成功進入歐盟市場以及美國、印度、日本、韓國等國際市場，為我國軸承試驗檢測及其裝備技術走向世界邁出了關鍵性、開創(chuàng)性、實質性的第一步。在HBRC第五個十年伊始（“十四五”期間），秉承專業(yè)、專注、專心，立足華東、面向全國、接軌國際、服務全球！
第一作者簡介：李興林，正高級工程師，杭州軸承試驗研究中心（UNDP/UNIDO聯(lián)合國援助）有限公司創(chuàng)始人。三十余年來一直致力于滾動軸承科技推廣應用第一線，負責研制成功的滾動軸承壽命及可靠性強化試驗系統(tǒng)（A2BLT+F2AST），已經(jīng)推廣應用到300余家國內外軸承制造和相關的應用研究單位；完成國家級、省部級研究課題30余項，國家、行業(yè)標準制修訂10余項；發(fā)表論文300余篇，中英文著作7部，發(fā)明專利授權10余件】
（來源：軸承工業(yè)雜志）
