14、滚动轴承自然剥落故障生成与交流供电电磁阀状态监测研究

y4z5a6b7

于 2025-09-22 11:55:34 发布

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分类专栏：智能运维前沿探秘文章标签：滚动轴承自然剥落故障加速寿命试验

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滚动轴承自然剥落故障生成与交流供电电磁阀状态监测研究

在工业设备的运行中，滚动轴承和电磁阀都是至关重要的部件。滚动轴承的故障可能导致设备的振动加剧、效率降低甚至停机；而电磁阀的故障则可能影响流体的控制，进而影响整个系统的正常运行。因此，对这两者的故障研究和状态监测具有重要的现实意义。

滚动轴承自然剥落故障生成方法

在滚动轴承的研究中，预测与健康管理（PHM）领域的主要目标是跟踪轴承随时间的退化过程，并最终预测其剩余使用寿命（RUL）。通常采用加速寿命试验（ALT）来生成振动 - 声学数据集，但传统的ALT方法耗时且成本高，因此许多研究使用了人工轴承故障数据集。

常见人工故障及实现方法

故障特征	实现方法
缺口/沟槽	电火花加工（EDM）
通孔	钻孔
划痕	电动雕刻机
自然剥落	加速寿命试验（ALT）

生成自然剥落故障的目标与方法

目标是提出一种系统的方法，以快速且可重复的方式在滚动轴承上创建自然剥落故障，帮助研究人员建立与实际应用相关的数据集。

其原理基于改进的统计轴承寿命模型：$L_{1 - S} = a_1a_t(\frac{C}{P})^p$，其中$S$是生存概率，$L_{1 - S}$是预期寿命，$a_1$是可靠性的ISO因子，$a_t$是综合寿命修正因子，$C$是基本动态负载额定值，$P$是等效负载，$p$根据轴承类型而定。通过调整$a_t$和$P$这两个变量，可以改变轴承的统计寿命。

具体方法如下：
- 调整等效负载$P$ ：为缩短轴承寿命且不引入其他故障模式，将等效负载设置为动态负载额定值$C$的60 - 70%，而通常情况下等效负载为$C$的10 - 20%。
- 降低综合寿命修正因子$a_t$ ：在滚道或滚动元件表面引入应力集中源，如使用洛氏C硬度计在轴承内滚道上制造压痕。以直径约400µm（洛氏C载荷为100kg）的压痕为例，其边缘高度约9µm，深度约60µm。压痕会产生局部塑性变形，边缘处会出现应力集中，从而加速自然剥落故障的产生。

graph LR
    A[开始] --> B[使用洛氏C硬度计制造压痕]
    B --> C[安装到试验台进行ALT]
    C --> D[达到振动峰值停止试验]
    D --> E[生成自然剥落故障]
    E --> F[结束]

实验设置与条件

实验在Smart Maintenance Living Lab进行，该实验室有七个相同的传动子系统。每个设置包括一个带有测试轴承的单轴，轴两侧由支撑轴承支撑，通过液压缸施加径向负载，最高可达10kN，测试轴承由内部油浴润滑，由电机驱动，转速最高可达3000rpm，每个设置还配备了加速度计、温度传感器、负载传感器和速度传感器。

实验使用FAG 6205球轴承，在轴承内圈制造直径为400µm的压痕，安装到实验设置后，施加恒定负载9kN（为轴承动态负载额定值的65%），轴转速设置为2000rpm，当振动峰值达到±20g时停止ALT。共测试了34个具有相似初始压痕和停止标准的轴承。

交流供电电磁阀的状态监测

电磁阀的重要性与研究背景

电磁阀用于控制气动或液压动力系统中空气或液体的流动或方向，在汽车、化工、核电等多个行业有广泛应用。近年来，由于一些重大事件与电磁阀故障相关，如2010年的Transocean Deepwater Horizon灾难，对电磁阀健康状态和剩余使用寿命的估计需求不断增加。

早期基于电流和电压信号测量的电磁阀状态监测工作主要集中在直流供电的电磁阀上，而交流供电电磁阀的相关研究相对较少。

交流供电电磁阀的特点与故障模式

交流供电电磁阀的重要组件包括线圈、柱塞、复位弹簧、外壳和特殊的导电“遮光环”。主要有两种故障模式：一是由于柱塞与内部之间的摩擦和冲击导致的机械磨损；二是遮光环的劣化。

交流电流近似为正弦波形，每个周期有两个过零点，此时弹簧力会在短时间内克服电磁阀产生的力，导致电枢振动，产生嗡嗡声并对电磁阀组件造成应力。遮光环的作用是存储磁场能量并以90°相移释放，填补过零点时磁场振幅的间隙，消除振动。

状态监测方法与实验

基于对交流供电电磁阀主要故障模式对电流特征影响的物理理解，利用改进的物理模型，识别相关电流特征并定义信号处理策略以提取状态指标。

进行了48个相同交流供电电磁阀的加速寿命试验（ALT），在试验过程中采集每个阀门的电流和电压信号，同时测量电磁阀出口的温度和流量，以客观标记寿命终点。对采集的数据进行离线分析，一些基于物理的特征在大多数测试的电磁阀中显示出一致的趋势，表明这些特征能有效跟踪交流供电电磁阀的健康状态。

综上所述，通过对滚动轴承自然剥落故障生成方法的研究和交流供电电磁阀状态监测的探索，为工业设备的可靠性和维护提供了有价值的参考。在实际应用中，可以根据这些研究成果制定更有效的维护策略，降低设备故障的风险，提高生产效率。

滚动轴承自然剥落故障生成与交流供电电磁阀状态监测研究

滚动轴承实验结果分析

在对34个具有相似初始压痕和停止标准的FAG 6205球轴承进行加速寿命试验（ALT）后，对结果进行了详细分析。

统计特征变化

从原始振动信号中计算了均方根（RMS）和峭度这两个统计特征，并选取了6个具有代表性的轴承进行展示。随着试验的进行，这两个特征的值在试验末期均呈现出增加的趋势，这表明轴承出现了明显的退化现象。

统计特征	试验末期变化趋势
均方根（RMS）	增加
峭度	增加

自然剥落故障情况

试验结束后，对测试轴承进行了目视检查，通过在压痕位置附近拍摄光学图像，发现自然剥落故障始终出现在引入压痕的同一位置。这说明通过在轴承内滚道制造压痕的方法能够有效地引导自然剥落故障的产生。

试验持续时间差异

尽管所有轴承的试验条件相同（相同的停止试验标准和相同的初始压痕），但每个轴承的试验持续时间却各不相同。对所有34个轴承的试验持续时间进行统计，绘制了直方图。结果显示，平均试验持续时间约为3.6小时，最短为1.08小时，最长为8.5小时。这种差异可能与轴承本身的微观结构差异、试验过程中的微小环境变化等因素有关。

graph LR
    A[开始试验] --> B[采集振动信号]
    B --> C[计算统计特征]
    C --> D{特征值增加?}
    D -- 是 --> E[达到振动峰值停止试验]
    E --> F[检查剥落故障位置]
    F --> G[统计试验持续时间]
    D -- 否 --> B

交流供电电磁阀实验数据分析

在对48个相同交流供电电磁阀进行加速寿命试验（ALT）后，对采集到的数据进行了离线分析。

特征趋势分析

通过对电流和电压信号的分析，提取了一些基于物理的特征。这些特征在大多数测试的电磁阀中显示出一致的趋势，这表明它们能够有效地跟踪交流供电电磁阀的健康状态。例如，随着电磁阀的磨损和遮光环的劣化，某些特征可能会呈现出单调递增或递减的趋势，通过对这些趋势的监测，可以及时发现电磁阀的潜在故障。

寿命终点标记

在试验过程中，除了采集电流和电压信号外，还测量了电磁阀出口的温度和流量。这些数据被用作生成“地面真值数据”，以客观地标记电磁阀的寿命终点。当温度或流量出现异常变化时，表明电磁阀可能已经接近或达到了使用寿命。

测量参数	作用
电流信号	提取特征，跟踪健康状态
电压信号	辅助分析，与电流信号结合
温度	标记寿命终点，反映内部状态
流量	标记寿命终点，体现工作性能