李興林^1、2　王志強(qiáng)¹　陳掌娥²　常振^1、2　李斌²　陳炳順³

（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(jī)械工業(yè)軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心（杭州）ISO/IEC 檢測/校準(zhǔn)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(jìn)行健康狀態(tài)的評估及運行狀態(tài)的預(yù)測等研究將有助于提高軸承設(shè)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(nèi)外關(guān)于軸承健康檢測與壽命預(yù)測方面所取得的成果進(jìn)行了綜述，并對其前景進(jìn)行了展望。雖然現(xiàn)有研究已取得一些值得關(guān)注的成果，但對軸承設(shè)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(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)的研究則開展很少，因此加大這方面的研究對進(jìn)一步提升軸承的壽命使用性能具有重要的理論意義及應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：滾動軸承；可靠性；大數(shù)據(jù)；健康監(jiān)測；壽命預(yù)測

滾動軸承是決定機(jī)械健康狀態(tài)與壽命的關(guān)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(shù)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(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對軸承健康管理與壽命預(yù)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?zāi)Ｐ偷姆e累、故障的協(xié)同診斷，進(jìn)而成為具備自學(xué)習(xí)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(luò)系統(tǒng)對整個制造運行系統(tǒng)中所有設(shè)備進(jìn)行預(yù)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(shè)備進(jìn)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(yīng)的通用、可重構(gòu)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(yù)測任務(wù)，但是對于根本故障原因的挖掘，高響應(yīng)的預(yù)測方法，大規(guī)模設(shè)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(yù)測方面將面臨苛刻的要求，為此本文將詳細(xì)介紹軸承大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測及壽命預(yù)測方面取得的成果，并對其發(fā)展方向進(jìn)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)，軸承壽命試驗機(jī)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(guān)企業(yè)的壽命及可靠性試驗基地為輔，共同承擔(dān)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(jī)的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)等已完全實現(xiàn)自主化，甚至某些技術(shù)理念已達(dá)到領(lǐng)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(jì)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(shù)支撐，軸承的壽命試驗主要在ZS型軸承壽命試驗機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行，而這種試驗機(jī)的評估質(zhì)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(jìn)的“F&M 5”新型滾動軸承疲勞壽命試驗機(jī)非但價格昂貴、技術(shù)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(qiáng)化試驗機(jī)實現(xiàn)自主化生產(chǎn)已勢在必行，20世紀(jì)90年代，杭州軸承試驗研究中心在國外先進(jìn)壽命試驗機(jī)的基礎(chǔ)上，自主研制出ABLT-1型自動控制滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗機(jī)，為國內(nèi)壽命試驗機(jī)開辟了新市場和新前景，在當(dāng)時已具有先進(jìn)水平。隨著ABLT-1型滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗機(jī)的降生，國內(nèi)軸承壽命試驗機(jī)的發(fā)展如雨后春筍，但大都是在ABLT-1的基礎(chǔ)上衍生或改進(jìn)而來。

圖1 ABLT- 1A型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強(qiáng)化試驗機(jī)

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(jī)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(jìn)ABLT-1型軸承壽命試驗機(jī)的基礎(chǔ)上，杭州軸承試驗研究中心又自行設(shè)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(qiáng)化試?機(jī)，具有完全自主產(chǎn)權(quán)的新型軸承試驗技術(shù)和方法。ABLT系列疲勞壽命及可靠性強(qiáng)化試驗機(jī)吸收了以前試驗技術(shù)的優(yōu)點，進(jìn)一步加強(qiáng)和完善了自動化控制水平。當(dāng)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(jī)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(cè)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(jī)也相應(yīng)進(jìn)行了革新，Z為核心的革新點為驅(qū)動系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，因為影響軸承壽命試驗Z為主要的人為控制因素為試驗轉(zhuǎn)速與載荷。伺服電機(jī)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(qū)動裝置采用伺服電機(jī)，能夠?qū)㈦妷盒盘栟D(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)速以驅(qū)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(jī)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(yīng)地輸出調(diào)制的流量和壓力，進(jìn)而將小功率的微弱電氣輸入信號轉(zhuǎn)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(shè)計，已基本能夠滿足大多數(shù)滾動軸承疲勞壽命強(qiáng)化試驗的需要。

國內(nèi)軸承壽命試驗機(jī)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(shù)、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(fù)雜,軸承壽命實驗數(shù)據(jù)處理仍需進(jìn)一步完善?，F(xiàn)應(yīng)當(dāng)建立關(guān)于軸承疲勞機(jī)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(guān)技術(shù)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(yù)測研究

軸承在全壽命周期運轉(zhuǎn)的過程中，很可能會受到高溫、潤滑不良、裝配不當(dāng)、異物侵入等因素的影響，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)、同材料、同熱處理、同加工方法的軸承在相同的工況下，其Z高壽命和Z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(yù)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(nèi)外研究機(jī)構(gòu)積極也開展軸承壽命試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)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(biāo)，對軸承的剩余使用壽命進(jìn)行了預(yù)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(yù)測指標(biāo)，在有效反映軸承運行狀態(tài)的同時還可以預(yù)測軸承的性能退化趨勢。Banjevic等使用比例風(fēng)險模型預(yù)測了設(shè)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(zhǔn)，預(yù)測了其剩余壽命。Kacpnynski在前人研究的基礎(chǔ)上，提出將監(jiān)測數(shù)據(jù)與材料參數(shù)結(jié)合的預(yù)測模型，并利用該模型開展了滾動軸承壽命預(yù)測工作。Kimotho等提出了一種混合差分進(jìn)化粒子群（DE-PSO）優(yōu)化算法優(yōu)化支持向量機(jī)的核函數(shù)和懲罰參數(shù)的預(yù)測方法，提高了支持向量機(jī)的分類精度和剩余壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性，并采用NASA標(biāo)準(zhǔn)軸承故障數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。Orsagh等利用Yu-Harris模型，預(yù)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(yù)測了滾動軸承的失效時間。Panigrahi提出一種擴(kuò)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(yù)測效果。

當(dāng)前基于統(tǒng)計的壽命模型依然在軸承壽命預(yù)測中占有主導(dǎo)地位，但是試驗與工程應(yīng)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(jī)理研究，完善軸承壽命模型是一個主要問題。基于狀態(tài)監(jiān)測的壽命預(yù)測方法隨著信息新技術(shù)與人工智能的發(fā)展而成為一個軸承壽命預(yù)測研究的熱點領(lǐng)域。借助于大數(shù)據(jù)、人工智能信息等技術(shù)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(guān)系，從而實現(xiàn)剩余壽命的預(yù)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(luò)等人工智能方法與傳統(tǒng)壽命預(yù)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(yù)測技術(shù)來說至關(guān)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(jìn)行一定時間內(nèi)的變化預(yù)測，以期準(zhǔn)確、快速地獲得故障發(fā)展信息。對軸承開展?fàn)顟B(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(guān)向量機(jī)回歸算法和邏輯回歸組合方法對軸承退化程度和預(yù)測故障時間進(jìn)行了評估。Yu等采用局部保局投影法對軸承運行的特征進(jìn)行提取，并采用高斯混合模型和統(tǒng)計指標(biāo)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行對比，結(jié)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