大型重载滚动轴承的可靠性和寿命预测的理论与方法研究

Large-scale and heavy-duty rolling bearings work in harsh environment, leading to complex failure mechanism. Therefore, current theories and methods of reliability and life prediction could hardly meet the requirements of practical engineering. Due to the gradual deterioration of performance parameters (such as fatigue, wear, corrosion, etc.) and the vibration of the external and internal environment in period of operation, rolling bearing systems with random gradual changing will be formed under dynamic random loads, and the resulting dynamic and gradual coupling reliability and life prediction theory and application become the bottleneck problem in mechanical reliability engineering. This project aims at establishing reliability and life expectancy prediction model of rolling bearings with multiple correlated failure modes and putting forward dynamic and gradual coupling reliability and life prediction theory and method of rolling bearings. Thus, the bottleneck problem of multiple failure modes correlation and vibration and deterioration coupling in reliability and life prediction of large-scale and heavy-duty rolling bearings can be overcome. Reliability and life indexes of rolling bearings will be calculated, analyzed and designed accurately, and the theoretical achievements could be applied to practical design of rolling bearings, which can provide reasonable and necessary theoretical and technical support for design, manufacture, use and evaluation of rolling bearings in China, and supplement the blank of achievements in dynamic and gradual reliability and life prediction.

大型重载滚动轴承的工作环境严酷，导致故障和失效机理复杂，因此现行的可靠性和寿命预测理论与方法很难满足工程实际的需求。由于滚动轴承运行期间内性能参数渐变劣化（如：疲劳、磨损、腐蚀等）和外部与内部环境振动激励作用，必然形成在动态随机载荷作用下随机渐变的滚动轴承系统，由此产生的动态和渐变耦合的滚动轴承可靠性和寿命预测理论与应用问题属机械可靠性工程领域的瓶颈问题。本项目拟建立多元失效模式耦合相关的滚动轴承可靠性和寿命预测数学模型，提出滚动轴承的动态与渐变耦合的可靠性和寿命预测理论与方法，突破约束大型重载滚动轴承的可靠性和寿命预测的多失效模式相关和振动与劣化耦合的瓶颈问题，正确地计算和分析与设计滚动轴承的可靠性和寿命指标，并将所取得的理论成果应用于实际工程的滚动轴承设计之中，从而为我国滚动轴承的设计、制造、使用和评估提供合理和必要的理论与技术支撑，添补滚动轴承的动态与渐变可靠性和寿命预测成果的空白。

大型重载滚动轴承的工作环境严酷和失效机理复杂，在性能参数的渐变劣化（如：疲劳、磨损、腐蚀等）和外部与内部环境的动态随机激励的共同作用下，滚动轴承的动态和渐变耦合的可靠性设计和寿命预测理论与应用问题属于机械可靠性工程领域的瓶颈问题。针对此类需要突破的瓶颈问题，在模型构建方面：分别建立了以振动响应和频率为基准的滚动轴承的动态可靠性设计和寿命预测模型、基于性能退化的滚动轴承的渐变可靠性设计和寿命预测模型、滚动轴承的动力学行为和性能多元退化耦合的可靠性设计和寿命预测模型以及滚动轴承的概率信息缺失的可靠性设计和寿命预测模型等。在机理分析方面：基于Archard磨损和机械振动理论，探讨了成对角接触球轴承的动态刚度变化的规律，讨论了不同预载荷作用下机械结构的刚度和频率响应的变化，分析了运行距离、轴向力、预紧力、初始接触角、滚珠数量和滚珠直径等因素对轴承磨损特性的影响；从摩擦学和磨损机理的角度，分析了推力滚子轴承在欠油润滑及无油润滑的条件下，滚动元件的渐变磨损机理以及不同疲劳工况对材料性能造成的影响。在解析算法方面：结合人工智能算法和机器学习等理论，提出了多故障耦合工况下滚动轴承的故障诊断方法，以多元渐变劣化随机过程作为集合事件统一预测滚动轴承的可靠性和寿命指标，进而提出了失效共存的滚动轴承的可靠性设计和寿命预测理论与方法。在实验验证方面：获得了6306深沟球轴承多元故障耦合情况下的振动数据集、推力圆柱滚子轴承磨损表面形貌数据集、推力圆柱滚子瞬时摩擦系数数据以及摩擦振动数据集等。项目组通过理论分析与研究和实验研究与验证，探索了滚动轴承动态和渐变可靠性设计的理论与技术的核心内容，突破了约束滚动轴承的可靠性设计和寿命预测的多失效模式相关和振动与劣化耦合的瓶颈问题，计算和分析与设计滚动轴承的可靠性和寿命指标，添补了滚动轴承动态与渐变可靠性设计和寿命预测研究成果的空白。