特征定量识别的航天精密伺服机构轴承运行可靠性评估方法及应用
发布时间：2021-12-02 03:37
滚动轴承是航天精密伺服机构中的关键运动副,其可靠性常作为表征伺服机构寿命的重要指标。针对航天精密伺服机构的复杂载荷、极端环境与具体轴承个性问题,本文开展基于特征定量识别的航天精密伺服机构轴承动态可靠性评估方法及其应用研究。采用自适应标准多小波定量识别机构关键轴承运行状态特征,基于降半正态分布函数构建关键轴承运行状态特征与其隶属可靠度的映射关系,建立轴承运行状态信息的可靠性评估模型,为精密伺服机构轴承可靠性评估缺乏大样本数据和当下产品可靠度难以真实评价的工程难题开辟新途径。工程实例表明:该方法可以有效揭示试验台轴承外圈损伤所引起的运行可靠性降低的原因,并成功应用于评估某型航天精密伺服机构轴承运行状态。
【文章来源】：上海航天(中英文). 2020,37(05)CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
滚动轴承N205外圈故障Fig.1Outer-ringfaultofrollingbearingN205
第37卷2020年第5期上海航天（中英文）AEROSPACESHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）间隔的周期性冲击（部分标记为红色三角形），且频域信号中高频部分也出现边频带特征，可判断该轴承外圈故障处于中晚期较为明显的损伤阶段。为评估该轴承的运行可靠性，采用自适应标准多小波的滚动轴承特征定量识别技术对图2信号进行分析，多小波包分解层数l=3，优化得到的自适应标准多小波基中最佳参数为aopt=0.9868和bopt=1，轴承外圈特征频率最大分贝值所对应的Hilbert包络解调结果如图3所示。图中轴承外圈特征频率fo及其倍频格外清晰，根据式（4）计算得到轴承外圈特征定量识别指标Fo=35.06dB。依据式（5）的评判准则，该轴承外圈故障处于早期和严重之间，与图1所示的明显外圈损伤符合。将该指标代入轴承运行可靠度模型中，计算得到该轴承运行可靠度指标R（35.06）=0.5005。4工程应用将本文方法应用到某型航天精密伺服机构的轴承测试与评估中。该机构传动链末级采用686微型滚动轴承。在末级传动链轴承座上安装加速度传感器采集该轴承振动信号，测试中伺服机构驱动天线以转频fr=2Hz在转角+40°~40°范围内进行近似匀速摆动，采样频率2000Hz。根据轴承尺寸参数与转频计算得到fi=9.68，fo=6.32，fb=4.54，fc=0.79。所采集到的一组轴承振动信号及其频谱如图4所示。其时域信号表现为典型周期性冲击信号，根据冲击时间间隔可推知该冲击为伺服机构摆动中瞬时换向所产生的撞击，且频谱中无明显轴承特征相关频率。采用本文方法对该轴承进行运行可靠性评估，多小波包分解层数l=2，优化得到的自适
第37卷2020年第5期袁静，等：特征定量识别的航天精密伺服机构轴承运行可靠性评估方法及应用5结束语针对航天精密伺服机构轴承运行工况复杂、样本数少且缺乏合理评估手段，本文开展基于特征定量识别的精密伺服机构轴承运行可靠性评估应用研究。以自适应标准多小波包解调分析准确提取表征精密伺服机构轴承运行品质的动态特征信息，再以脉冲冲击法对其进行量化识别与评价，采用尾部修正的降半正态分布隶属函数构建轴承运行可靠度模型，将轴承运行状态定量识别结果映射至运行可靠度的归一化区间［0，1］，从而实现航天精密伺服机构轴承的运行可靠性评估。工程实例表明：该方法可以有效揭示试验台轴承外圈损伤所引起的运行可靠性降低，并成功评估某型航天精密伺服机构轴承运行状态。参考文献［1］马明臻，张新宇，谭春林，等.航天机构潜在故障模式与故障机理分析［J］.燕山大学学报，2014，38（1）：1-9.［2］刘志全，李新立，遇今.长寿命航天机构的加速寿命试验方法［J］.中国空间科学技术，2008，4（8）：65-71.（下转第29页）图4某航天精密伺服机构轴承振动信号Fig.4Vibrationsignalsofthebearingofanaerospaceprecisionservomechanism图5图4信号的自适应标准多小波包解调结果Fig.5EnvelopedemodulationresultsoftheadaptivestandardmultiwaveletsforsignalsinFig.4图6轴承内圈、外圈、滚动体和保持架特征指标Fig.6Featureindicesofthebearinginner-ring，outer-ring，roller，andcage23
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于性能退化数据的数控转台单子样可靠性分析[J]. 张云,于广,王立平,姜楠. 清华大学学报(自然科学版). 2020(04)
[2]基于威布尔分布的加速试验剖面设计方法[J]. 王海东,蒋刚,陈志伟,贾斐. 上海航天. 2019(04)
[3]基于谱相关函数-Wigner-Ville谱的轴承分布故障信号分析[J]. 赵发刚,王翠珍,葛钊,周徐斌. 上海航天. 2017(03)
[4]航天机构潜在故障模式与故障机理分析[J]. 马明臻,张新宇,谭春林,刘日平. 燕山大学学报. 2014(01)
[5]机械设备运行可靠性评估的发展与思考[J]. 何正嘉,曹宏瑞,訾艳阳,李兵. 机械工程学报. 2014(02)
[6]基于机械诊断信息的设备运行可靠性研究[J]. 何正嘉,蔡改改,申中杰,曹宏瑞,李兵. 中国工程科学. 2013(01)
[7]长寿命航天器机构的加速寿命试验方法[J]. 刘志全,李新立,遇今. 中国空间科学技术. 2008(04)
[8]陀螺仪模糊性能可靠性评价[J]. 张春华,陶俊勇,陈循. 中国惯性技术学报. 2000(03)
本文编号：3527651
【文章来源】：上海航天(中英文). 2020,37(05)CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
滚动轴承N205外圈故障Fig.1Outer-ringfaultofrollingbearingN205
第37卷2020年第5期上海航天（中英文）AEROSPACESHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）间隔的周期性冲击（部分标记为红色三角形），且频域信号中高频部分也出现边频带特征，可判断该轴承外圈故障处于中晚期较为明显的损伤阶段。为评估该轴承的运行可靠性，采用自适应标准多小波的滚动轴承特征定量识别技术对图2信号进行分析，多小波包分解层数l=3，优化得到的自适应标准多小波基中最佳参数为aopt=0.9868和bopt=1，轴承外圈特征频率最大分贝值所对应的Hilbert包络解调结果如图3所示。图中轴承外圈特征频率fo及其倍频格外清晰，根据式（4）计算得到轴承外圈特征定量识别指标Fo=35.06dB。依据式（5）的评判准则，该轴承外圈故障处于早期和严重之间，与图1所示的明显外圈损伤符合。将该指标代入轴承运行可靠度模型中，计算得到该轴承运行可靠度指标R（35.06）=0.5005。4工程应用将本文方法应用到某型航天精密伺服机构的轴承测试与评估中。该机构传动链末级采用686微型滚动轴承。在末级传动链轴承座上安装加速度传感器采集该轴承振动信号，测试中伺服机构驱动天线以转频fr=2Hz在转角+40°~40°范围内进行近似匀速摆动，采样频率2000Hz。根据轴承尺寸参数与转频计算得到fi=9.68，fo=6.32，fb=4.54，fc=0.79。所采集到的一组轴承振动信号及其频谱如图4所示。其时域信号表现为典型周期性冲击信号，根据冲击时间间隔可推知该冲击为伺服机构摆动中瞬时换向所产生的撞击，且频谱中无明显轴承特征相关频率。采用本文方法对该轴承进行运行可靠性评估，多小波包分解层数l=2，优化得到的自适
第37卷2020年第5期袁静，等：特征定量识别的航天精密伺服机构轴承运行可靠性评估方法及应用5结束语针对航天精密伺服机构轴承运行工况复杂、样本数少且缺乏合理评估手段，本文开展基于特征定量识别的精密伺服机构轴承运行可靠性评估应用研究。以自适应标准多小波包解调分析准确提取表征精密伺服机构轴承运行品质的动态特征信息，再以脉冲冲击法对其进行量化识别与评价，采用尾部修正的降半正态分布隶属函数构建轴承运行可靠度模型，将轴承运行状态定量识别结果映射至运行可靠度的归一化区间［0，1］，从而实现航天精密伺服机构轴承的运行可靠性评估。工程实例表明：该方法可以有效揭示试验台轴承外圈损伤所引起的运行可靠性降低，并成功评估某型航天精密伺服机构轴承运行状态。参考文献［1］马明臻，张新宇，谭春林，等.航天机构潜在故障模式与故障机理分析［J］.燕山大学学报，2014，38（1）：1-9.［2］刘志全，李新立，遇今.长寿命航天机构的加速寿命试验方法［J］.中国空间科学技术，2008，4（8）：65-71.（下转第29页）图4某航天精密伺服机构轴承振动信号Fig.4Vibrationsignalsofthebearingofanaerospaceprecisionservomechanism图5图4信号的自适应标准多小波包解调结果Fig.5EnvelopedemodulationresultsoftheadaptivestandardmultiwaveletsforsignalsinFig.4图6轴承内圈、外圈、滚动体和保持架特征指标Fig.6Featureindicesofthebearinginner-ring，outer-ring，roller，andcage23
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于性能退化数据的数控转台单子样可靠性分析[J]. 张云,于广,王立平,姜楠. 清华大学学报(自然科学版). 2020(04)
[2]基于威布尔分布的加速试验剖面设计方法[J]. 王海东,蒋刚,陈志伟,贾斐. 上海航天. 2019(04)
[3]基于谱相关函数-Wigner-Ville谱的轴承分布故障信号分析[J]. 赵发刚,王翠珍,葛钊,周徐斌. 上海航天. 2017(03)
[4]航天机构潜在故障模式与故障机理分析[J]. 马明臻,张新宇,谭春林,刘日平. 燕山大学学报. 2014(01)
[5]机械设备运行可靠性评估的发展与思考[J]. 何正嘉,曹宏瑞,訾艳阳,李兵. 机械工程学报. 2014(02)
[6]基于机械诊断信息的设备运行可靠性研究[J]. 何正嘉,蔡改改,申中杰,曹宏瑞,李兵. 中国工程科学. 2013(01)
[7]长寿命航天器机构的加速寿命试验方法[J]. 刘志全,李新立,遇今. 中国空间科学技术. 2008(04)
[8]陀螺仪模糊性能可靠性评价[J]. 张春华,陶俊勇,陈循. 中国惯性技术学报. 2000(03)
本文编号：3527651
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