劉國 易聲超 向景勛 吳文洲

摘要：輪轂軸承是汽車裝備的關(guān)鍵零部件，其可靠性的工作直接影響駕駛員和乘客的安全。為了更好地研究輪轂軸承的失效模式和剩余壽命，詳細(xì)分析了其失效的模式以及剩余壽命的預(yù)測，提出無失效數(shù)據(jù)條件下的非等間隔灰色預(yù)測方法。該方法可以通過輪轂軸承的仿真無失效數(shù)據(jù)對輪轂軸承的剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測，為軸承的可靠性評估提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：輪轂軸承；失效模式；剩余壽命；預(yù)測

中圖分類號：U467.4 ?收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.017

1 前言

汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代人出行的首選交通工具。隨著我國汽車保有量的不斷增加，汽車零配件的故障越來越多。輪轂軸承是汽車關(guān)鍵零部件，對駕駛員和乘客的行車安全至關(guān)重要。對于輪轂軸承的質(zhì)量來說，國內(nèi)的質(zhì)量相對于國外低30%[1]。而在疲勞壽命和可靠性方面，我國使用的輪轂軸承的使用壽命只能達(dá)到國外的50%左右[2]。

2 輪轂軸承失效模式分析

輪轂軸承的失效方式有很多種，主要分為疲勞失效、磨損失效、塑性變形，其中最常見的失效形式為疲勞失效。

2.1 疲勞失效

輪轂軸承的疲勞是滾動軸承長期工作的結(jié)果，也是最常見的失效形式，主要表現(xiàn)為滾動體活動的內(nèi)外軌道出現(xiàn)了裂痕，或者滾動體本身出現(xiàn)了凹坑。早期疲勞出現(xiàn)的凹坑是不規(guī)則和不連續(xù)的，當(dāng)持續(xù)工作一段時間后，原先的凹坑就會使?jié)L動體大面積的脫落，直至滾動軸承完全失效，失去工作能力。然而，造成這種現(xiàn)象的原因主要是安裝不到位或者工作期間軸承沒有得到充分的潤滑。

2.2 磨損失效

滾動軸承的另外一種常見失效形式是磨損。輪轂軸承工作期間不但承受了汽車和乘客的重力，同時還承受來自地面的沖擊載荷。輪轂軸承在惡劣的工作環(huán)境中，密封不良容易進(jìn)入顆粒物，這些顆粒物與滾動軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架之間產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致滾動軸承運動表面出現(xiàn)劃痕，加快了輪轂軸承的失效，出現(xiàn)過早的報廢情況。

2.3 塑性變形

汽車在不平的路面行駛時，經(jīng)常會遇到障礙物產(chǎn)生一定的沖擊，因此輪轂軸承會經(jīng)常受到地面的沖擊載荷，過大的沖擊載荷可以使輪轂軸承產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變形，致使軸承工作時產(chǎn)生劇烈震動和噪聲。

3 輪轂軸承剩余壽命預(yù)測

輪轂軸承的主要作用是承受汽車自身和乘客的重量，同時也為駕駛員轉(zhuǎn)彎提供精確的引導(dǎo)。目前，汽車上的輪轂軸承廣泛采用圓錐滾子軸承。對于輪轂軸承的可靠性分析與壽命預(yù)測主要是基于機理模型、數(shù)理統(tǒng)計和人工智能的方法開展研究。

3.1 基于機理模型的滾動軸承剩余壽命預(yù)測

基于機理模型的剩余壽命預(yù)測方法主要是從滾動軸承的四個組件以及它們之間的運動規(guī)律著手，利用力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行分析，建立相對準(zhǔn)確地退化機制和演化規(guī)律，進(jìn)而對滾動軸承進(jìn)行剩余使用壽命預(yù)測。部分學(xué)者將滾動軸承的退化機制和演化機理同有限元仿真結(jié)合起來，提高了滾動軸承的預(yù)測精度。劉德昆等[3]分析了高速列車動車組軸向軸承在工作過程中受載情況，根據(jù)先行損傷理論，得出軸箱軸承的疲勞使用壽命。該方法得到了工程上的應(yīng)用，具有一定的實用價值，也為軸箱軸承的優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路。雖然說基于機理模型的滾動軸承的剩余壽命預(yù)測方法是最有效的表征軸承退化狀況的方法，但是該方法的不足之處是需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，這種精確的數(shù)學(xué)模型對于建模人員有著非常高的專業(yè)背景要求和實際的工程管理經(jīng)驗。隨著汽車裝備的復(fù)雜化，滾動軸承的數(shù)據(jù)采集，尤其是實車采集帶來了很大的難度，試驗成本也較高，使得應(yīng)用機理模型對滾動軸承的退化過程描述更加困難。

3.2 基于數(shù)理統(tǒng)計的滾動軸承剩余壽命預(yù)測

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在機械裝備故障診斷和壽命預(yù)測越來越多。而基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計構(gòu)建的剩余壽命預(yù)測方法是否與真實的機械裝備性能退化相吻合是考驗方法和模型準(zhǔn)確性的重要手段。因此在進(jìn)行剩余壽命預(yù)測時，要合理選擇構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型。蔡薇薇等[4]針對軸承到達(dá)服役時間而依然滿足使用條件造成的資源浪費問題，提出了一種基于CNN-LSTM的軸承剩余使用壽命預(yù)測方法?；跀?shù)理統(tǒng)計的滾動軸承剩余壽命預(yù)測方法優(yōu)點能夠真實地反映機械產(chǎn)品在工作時的狀態(tài)。采集的過程數(shù)據(jù)可以很好地對構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行有效的修正，提升剩余壽命的預(yù)測精度。但是，這種方法需要花費大量的時間去收集實驗數(shù)據(jù)，對于輪轂軸承等高可靠性產(chǎn)品，實驗時間過長，且成本較高，這就限制了該種方法的使用范圍。

3.3 基于人工智能的滾動軸承剩余壽命預(yù)測

人工智能算法研究機械裝備故障診斷和剩余壽命是目前最熱門的方法。人工智能算法有很多種，最為常見的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機和模糊計算等。張繼東等[5]應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提取到的故障特征信號進(jìn)行特征自學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)的結(jié)果應(yīng)用到軸承上，采用滾動軸承的加速實驗數(shù)據(jù)對提出的算法進(jìn)行了驗證。趙志宏等[6]針對獲取軸承全壽命數(shù)據(jù)困難、收集的樣本數(shù)據(jù)較少的情況，提出關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)對軸承的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，通過實驗數(shù)據(jù)驗證了該方法的合理性。劉波等[7]將連續(xù)連續(xù)型隱馬爾可夫模型模型與基于粒子群優(yōu)化算法的支持向量機結(jié)合來建立剩余壽命預(yù)測模型，并用建立的模型對軸承進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，具有較好的預(yù)測結(jié)果。Chen等[8]提出了一種新穎的基于空間注意力的卷積變壓器，在沒有先驗知識和特征工程的情況下，基于原始振動數(shù)據(jù)建立準(zhǔn)確的軸承剩余壽命預(yù)測模型。隨著科技的進(jìn)步，人工智能技術(shù)不斷普及，在未來一段時間內(nèi)，是一種主流的研究手段。當(dāng)研究數(shù)據(jù)十分匱乏，并且都是無失效數(shù)據(jù)，即在乏信息的情況下，人工智能算法也會受到限制。

灰色系統(tǒng)理論可以很好解決在缺乏信息情況下機電產(chǎn)品可靠性評估和壽命預(yù)測。本文基于貝葉斯理論和灰色系統(tǒng)理論對高可靠性輪轂軸承進(jìn)行剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。

4 基于灰色系統(tǒng)理論的輪轂軸承剩余壽命預(yù)測

輪轂軸承是高可靠性產(chǎn)品，通過軸承的全壽命數(shù)據(jù)來評估軸承的可靠性難以實現(xiàn)。灰色系統(tǒng)理論可以在極少數(shù)據(jù)的情況下對可靠性較高的軸承進(jìn)行可靠性評估和剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。獲得滾動軸承壽命數(shù)據(jù)一般采用定時截尾試驗。試驗過程中可以獲得滾動軸承的無失效數(shù)據(jù)，并且是非等間隔的。對于GM（1，1）模型進(jìn)行剩余壽命預(yù)測時，必須將非等間隔的試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等間隔試驗數(shù)據(jù)。最后根據(jù)南京航空航天大學(xué)灰色系統(tǒng)研究所開發(fā)的灰色系統(tǒng)建模軟件進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，軟件界面如圖1所示。

4.1 構(gòu)建輪轂軸承的無失效數(shù)據(jù)模型

輪轂軸承的壽命符合威布爾分布。根據(jù)輪轂軸承的工作狀況確定合理的試驗樣本數(shù)量、分組、截尾時刻和最終的截尾時間，利用Monte-Carlo法產(chǎn)生服從威布爾分布的隨機數(shù)，按照從小到大的順序排列成無失效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]確定多組軸承的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，得出它們的平均值。根據(jù)輪轂軸承的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)的平均值，采用文獻(xiàn)[10]方法產(chǎn)生無失效數(shù)據(jù)，構(gòu)建無失效數(shù)據(jù)模型。

4.2 非等間隔可靠度數(shù)值的計算

根據(jù)貝葉斯計算公式，計算輪轂軸承各個截尾時刻的失效概率估計值，從而得到輪轂軸承在截尾時刻的可靠度的估計值。

4.3 非等間隔灰色預(yù)測建模方法

灰色預(yù)測模型GM（1，1）在預(yù)測輪轂軸承剩余壽命時，只能采用等間隔的可靠度估計值，而不能采用定時截尾的非等間隔數(shù)值。因此，采用GM（1，1）模型進(jìn)行輪轂軸承的剩余使用壽命評估時，需將無失效數(shù)據(jù)模型的非等間隔數(shù)值轉(zhuǎn)化為等間隔數(shù)值。主要建模方法包括構(gòu)建可靠度估計值構(gòu)建成原始序列，計算各時段與平均時段的單位時段差系數(shù)，計算輪轂軸承間隔序列的灰度，構(gòu)建等間距序列。將等間隔的可靠度數(shù)據(jù)輸入灰色建模軟件，進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，如圖2所示。

5 結(jié)語

目前人們對于汽車質(zhì)量的要求逐漸提高，這就需要提升每個汽車零配件的加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量。對于輪轂軸承，越來越多的理論滲透到可靠性及剩余壽命預(yù)測中，提高了評估的準(zhǔn)確性。

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作者簡介：

劉國，男，1988出生，講師，研究方向為運載裝備關(guān)鍵零部件的可靠性評估及壽命預(yù)測。